2016年，冷門的“拓撲”折桂諾貝爾物理學獎，一時間“拓撲”和洞洞的故事傳遍世界。

那天，評委會成員拿出了一袋面包來解釋拓撲：分別是沒有洞的肉桂面包、一個洞的包圈和兩個洞的椒鹽蝴蝶卷。

“這幾種面包結(jié)構(gòu)是完全不一樣的，你可以彎曲它、擠壓它，但無論如何，除非你動手撕開，否則無法改變面包的洞洞數(shù)量。” 放眼全球，有關“拓撲”的研究，從來沒有停止過。

當外行人還在試圖弄明白“拓撲”是什么時，廈門大學半導體研究團隊已經(jīng)開始嘗試將“拓撲”延伸到新的應用領域。

近日，該團隊康俊勇教授、張榮教授、吳雅蘋教授為共同通訊作者，吳雪峰、李煦、康聞宇為共同第一作者在《自然·電子學》期刊上發(fā)表成果，提出軌道調(diào)控的拓撲自旋保護新原理，首次生長出室溫零場下本征穩(wěn)定、長程有序的磁半子（一種具有渦旋磁結(jié)構(gòu)的拓撲準粒子，英文名為Meron）晶格，并成功研制拓撲自旋固態(tài)光源芯片（T－LED）。

對于學術界而言，這一成果首次實現(xiàn)了從拓撲保護準粒子到費米子乃至玻色子的手性傳遞，開創(chuàng)了量子態(tài)操控和傳輸?shù)男侣窂健?br />
一條新的芯片開發(fā)道路

半導體芯片，是新一代信息技術的核心，是衡量一個國家科技實力和創(chuàng)新能力的重要指標。

其中，光子芯片計算速度快，是電子芯片的1000倍，它不需要高端***，在我國，使用已有的原材料和設備就可以生產(chǎn)。

光子芯片的獨特性，在保密通信方面可窺見一二。

信封滴蠟蓋上火印，也防不住有人讀完再復原；用電磁波傳遞信息，“音量”再低也防不住竊聽。

處于量子態(tài)的粒子具有“自我毀滅”的特性，任何級別的竊聽、拷貝都會破壞、徹底改變它，讓使用者知曉。

常見的光通信，是基于光的強度、波長、脈沖寬度等特性來傳輸信息，而量子保密通信則基于對光量子態(tài)的編碼。

傳統(tǒng)方法需要引入偏振片和相位延時片等光學元件對光源進行相位調(diào)控，而光學元件無法和現(xiàn)有的微電子技術兼容集成，且整體器件難以小型化；而自旋極化光子源通過操控光子的自旋角動量實現(xiàn)對光量子態(tài)的調(diào)制，有利于實現(xiàn)信息器件的集成和小型化。

如何突破自旋極化光子源的穩(wěn)定性和自旋操控難題？

廈門大學半導體研究團隊另辟蹊徑，使用自主研發(fā)的強磁場分子束外延設備（HMF－MBE），首次獲得有應用價值的磁半子晶格，創(chuàng)造性地將拓撲自旋結(jié)構(gòu)用于半導體器件，成功地利用拓撲保護性突破對外磁場和低溫條件的依賴，并實現(xiàn)了量子態(tài)的有效操控和傳輸，創(chuàng)新研制出拓撲自旋固態(tài)光源芯片。

破解學術界深奧謎題

磁性材料中的拓撲自旋結(jié)構(gòu)是“拓撲”領域的前沿課題。原來，常見的拓撲自旋結(jié)構(gòu)存在尺度小、依賴低溫和外磁場的問題。

而在拓撲自旋結(jié)構(gòu)的應用方面，學術界現(xiàn)有的研究側(cè)重于利用光與自旋電流驅(qū)動拓撲自旋結(jié)構(gòu)，如賽道存儲器、斯格明子邏輯門等。

“拓撲自旋結(jié)構(gòu)能操控電子和光子嗎”，這一反向的過程一直是未解之謎。

為此，團隊首先通過理論模擬，預測晶體生長中的強磁場可增強并凍結(jié)電子軌道耦合作用，進而突破大面積拓撲自旋結(jié)構(gòu)的生長瓶頸，并實現(xiàn)室溫與零外場下的穩(wěn)定性。

怎么做到的？

團隊自主設計搭建了強磁場分子束外延設備，該設備擁有中國和美國雙重專利。

在此基礎上，通過優(yōu)化材料體系，最終在寬禁帶半導體襯底上成功生長出大尺度、長程有序的磁半子晶格。

該晶格具有室溫、無外磁場環(huán)境下的高度穩(wěn)定性，為后續(xù)拓撲自旋固態(tài)光源芯片的研發(fā)奠定了堅實的基礎。

廈門大學半導體研究團隊把磁半子晶格比喻成拓撲自旋固態(tài)光源芯片的橋梁——依托于拓撲保護的磁半子晶格實現(xiàn)室溫零磁場下對電子與光子自旋的穩(wěn)定操控。

隨著研究的深入，“拓撲自旋結(jié)構(gòu)能否操控電子和光子”的答案也浮出了水面——團隊結(jié)合理論與實驗研究，發(fā)現(xiàn)當電流通過芯片時，磁半子晶格可以有效調(diào)控電子的輸運軌跡，進而操控其自旋極化。

進一步將自旋極化電流注入半導體量子阱中，實現(xiàn)了高效的自旋光發(fā)射，從而研制出具有量子特性的電光源芯片。

廈門大學半導體研究團隊的這項成果實現(xiàn)了拓撲材料從理論到器件的新突破，開拓了光電子學與拓撲自旋電子學交叉融合的新領域。

它向世界宣告：拓撲自旋結(jié)構(gòu)能操控電子和光子的量子態(tài)，且已走向?qū)嶋H應用。

據(jù)了解，拓撲自旋結(jié)構(gòu)是未來高密度、高通量、低功耗信息器件的載體，而其在半導體光電子領域的應用探索尚未有更多的開展。

如今，廈門大學已經(jīng)邁出了可喜第一步，構(gòu)建了從材料生長到器件應用的全鏈條體系。

未來，該成果還有望推動在量子科技、三維顯示、生物成像等戰(zhàn)略性前沿技術領域的實際應用。

可以預見，在不遠的未來，拓撲自旋固態(tài)光源芯片將走出廈門大學，邁向產(chǎn)業(yè)，向世界宣告這一“中國智造”。






審核編輯：劉清