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Light Publishing Center, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, CAS

Bild: Demonstration der konstruierten großräumigen Merongitter durch Magnetkraftmikroskopie.mehr sehen

Bildnachweis: von Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang und Junyong Kang

Photon ist eines der Elementarteilchen in der Quantenmechanik. Eine effektive Manipulation und Modulation der Quantenzustände ist der Grundstein für verschiedene Anwendungen wie Quantencomputing und quantensichere Kommunikation. Die chirale Photonenquelle kann den Quantenzustand des Lichts innerhalb der Lichtquelle in situ modulieren, was für die Geräteintegration und Miniaturisierung von Vorteil ist. Daher gilt die chirale Photonenquelle als ideale Lichtquelle in der Quantentechnologie.

Bestehende chirale Photonenquellen nutzen typischerweise spinpolarisierte Materialien, um den Spindrehimpuls von Elektronen und Photonen zu manipulieren. Selbst wenn meist ein externes Magnetfeld oder eine Umgebung mit niedriger Temperatur erforderlich ist, sind die erzielte Polarisation und Stabilität normalerweise schlecht und anfällig für elektromagnetische Störungen. Die Überwindung der oben genannten Engpässe und die weitere Verbesserung der Polarisation werden zu einem entscheidenden Problem bei der Entwicklung leistungsstarker chiraler Photonenquellen.

In einem in Nature Electronics veröffentlichten Artikel schlug das Halbleiterforschungsteam der Universität Xiamen unter der Leitung von Professor Junyong Kang, Professor Rong Zhang und Professor Yaping Wu zusammen mit anderen Gruppen aus Japan, China und Schweden eine neue Strategie zur Orbitalregulierung vor topologischer Spinschutz, der den Engpass in der Stabilität großflächiger topologischer Merongitter bei Raumtemperatur und unter einem Magnetfeld von Null überwindet. Darüber hinaus nutzten sie die topologischen Gitter, um den Spin-Drehimpuls von Elektronen und Photonen effektiv und erfolgreich zu manipulieren, und entwickelten erstmals eine topologische Spin-Leuchtdiode. Diese Errungenschaft realisierte den Chiralitätstransfer von topologisch geschützten Quasiteilchen auf Fermionen und weiter auf Bosonen und ebnete damit einen neuen Weg für die Manipulation und Übertragung von Quantenzuständen. Xuefeng Wu, Xu Li und Wenyu Kang sind die Co-Erstautoren dieses Artikels.

1.CAufbau topologischer GroßmaßstäbeEs gibtGitter

Topologie ist in vielen Bereichen ein wichtiges Konzept, darunter Mathematik, Physik und Chemie. Die topologischen Spinstrukturen wie Skyrmionen und Merone weisen aufgrund ihrer einzigartigen topologischen Schutzeigenschaften eine höhere Stabilität auf als herkömmliche elektronische Materialien. Die Einführung topologischer Eigenzustände in polarisierte Photonenquellen ist zu einer praktikablen Lösung geworden, um den Stabilitätsengpass in polarisierten Materialien zu überwinden. Die vorhandenen topologischen Spinstrukturen weisen jedoch Einschränkungen hinsichtlich der Gitterskala, der Ordnung sowie der Temperatur- oder Magnetfeldanforderungen auf, die den Anforderungen von Geräteanwendungen nicht gerecht werden können.

Das Team schlug ein neues Prinzip des orbitalregulierten topologischen Schutzes im Elektronenspin vor. Basierend auf der theoretischen Simulation bewies das Team, dass die Anwendung eines starken Magnetfelds während des Kristallwachstums die Orbitalkopplung verstärken und einfrieren kann, wodurch die Kristallordnung verbessert und starke Dzyaloshinsky-Moriya-Wechselwirkungen induziert werden. Diese Änderungen werden die Keimbildung großräumiger topologischer Gitter erleichtern und deren Stabilitätsprobleme bei Raumtemperatur und unter Null-Außenfeldern überwinden.

Unter der Leitung dieser innovativen Idee entwarf und baute das Team eine Anlage zur Molekularstrahlepitaxie mit Unterstützung eines starken Magnetfelds, die später in China und den Vereinigten Staaten patentiert wurde. Nach einer systematischen Materialauswahl konnten großräumige, weitreichend geordnete topologische Merongitter erfolgreich auf dem Halbleitersubstrat mit großer Bandlücke gezüchtet werden. Die Gitter weisen eine hohe Stabilität bei Raumtemperatur und unter Null-Magnetfeld auf und bilden eine solide Grundlage für die anschließende Entwicklung der topologischen Festkörperlichtquelle.

2.Lösung des Problems des topologisch geschützten Chiralitätstransfers

Topologische Spinstrukturen sind vielversprechende Informationsträger für zukünftige Geräte mit hoher Dichte, hohem Durchsatz und geringem Stromverbrauch. Dennoch sind ihre Anwendungen in der Halbleiter-Optoelektronik noch nicht erforscht. Die aktuelle Forschung hat topologische Spinstrukturen mithilfe von Licht und Spinstrom effektiv manipuliert (z. B. Rennstreckenspeicher, Skyrmion-Logikgatter usw.). Wie wäre es mit dem umgekehrten Vorgang? Können die topologischen Spinstrukturen Elektronen und Photonen manipulieren?

Durch eine eingehende theoretische und experimentelle Untersuchung stellte das Team fest, dass, wenn Elektronen in die Merongitter und Halbleiter injiziert werden, ihre Flugbahn effektiv gesteuert werden kann, wodurch eine Spinpolarisation erzeugt und eine hochpolarisierte Photonenemission erreicht wird. Dieses Ergebnis bewies, dass das topologische Quasiteilchen Chiralität auf Elektronen und Photonen übertragen kann. Der neue topologische Festkörper-Lichtquellenchip verfügt über ausgeprägte Quanteneigenschaften und soll den Anforderungen der zukünftigen Quantentechnologie gerecht werden.

Die in dieser Arbeit vorgeschlagene HMF-MBE-Methode kann die Wechselwirkungen innerhalb stark korrelierter Materialien durch Orbitalkontrolle manipulieren. Diese Methode kann in großem Umfang auf das kontrollierbare Wachstum anderer Kristalle und topologischer Gitter wie Skyrmionen und Wirbel angewendet werden. Die in dieser Arbeit erstellten großräumigen topologischen Merongitter weisen Raumtemperatur- und Nullfeldstabilität auf und bieten eine ideale Plattform für die Grenzen der Photonikforschung.

Darüber hinaus hat diese Arbeit eine chirale Photonenquelle auf dem Chip geschaffen, die Chiralität von topologisch geschützten Quasiteilchen auf Fermionen mit Masse und weiter auf masselose Bosonen übertragen kann. Diese Leistung hat wissenschaftliche Bedeutung für die praktische Anwendung topologischer Spinstrukturen.

10.1038/s41928-023-00990-4

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