图1 研制的拓扑手性光子源芯片示意图
图2 （a）室温、无外磁场以及较大工作电流下的拓扑手性光子源芯片的自旋极化发光光谱（极化率=22.5%）；（b）与外加磁场或低温环境情况下已报道材料体系的极化率对比
在国家自然科学基金项目（批准号：61227009、62022068、62274139）等资助下，厦门大学半导体研究团队康俊勇教授、张荣教授、吴雅苹教授与合作者在拓扑手性光子源芯片研发领域取得突破。研究成果以“大面积拓扑半子晶格诱导的手性光子发射（Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice）”为题，于2023年7月13日发表在《自然•电子学》（Nature Electronics）上，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-023-00990-4。
光子是量子力学的基本粒子之一。对光量子态的有效操控和调制，是量子计算、量子保密通信等应用的基石。手性光子源可以在光源芯片内实现对光量子态的原位调制，有利于实现信息器件的小型化与大规模集成，是量子科技中的理想光源。现有的手性光子源通常利用自旋极化材料本身的极化率来操控电子和光子的自旋角动量。这些方法往往需要外加磁场或低温环境，且极化率低、稳定性差、易受电磁干扰。
研究团队提出了轨道调控拓扑保护电子自旋特征机制。通过理论模拟，预测晶体生长中外加强磁场可增强并冻结原子轨道耦合作用、进而诱导形成具有拓扑保护的自旋纹理（图1）。
在国家自然科学基金仪器专项“强磁场下半导体/磁性材料异质结构外延及原位自旋相关输运检测系统”的支持下，团队自主设计搭建了强磁场辅助分子束外延（HMF-MBE）设备，并取得了国内和国际专利授权。通过优化材料体系，团队利用该设备生长出大尺度、长程有序的拓扑磁半子（Meron）晶格。该晶格具有室温、无外磁场环境下的高度稳定性，为其在手性光子源芯片中的实际应用奠定了基础。
深入研究发现，当电子注入Meron晶格时，其输运轨道可受到有效调控，进而产生自旋极化（图2）。在此基础上，团队进一步将该自旋极化电流注入半导体量子阱中，完成了从拓扑保护的准粒子到电子再到光子的手性传递，实现了高效的手性光子发射。