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Light Publishing Center、長春光学研究所、精密機械物理学、CAS

画像: 磁気力顕微鏡による、構築された大規模メロン格子のデモンストレーション。もっと見る

クレジット: Xuefeng Wu、Xu Li、Wenyu Kang、Xichao Zhang、Li Chen、Zhibai Zhong、Yan Zhou、Johan Åkerman、Yaping Wu、Rong Zhang、Junyong Kang 著

光子は量子力学における素粒子の一つです。 量子状態の効果的な操作と変調は、量子コンピューティングや量子安全通信などのさまざまなアプリケーションの基礎です。 キラル光子源は、光源内の光の量子状態をその場で変調できるため、デバイスの集積化と小型化に有益です。 したがって、キラル光子源は量子技術における理想的な光源と考えられています。

既存のキラル光子源は通常、スピン偏極した材料を利用して電子と光子のスピン角運動量を操作します。 外部磁場または低温環境がほとんどの場合必要とされますが、得られる分極と安定性は通常貧弱で、電磁摂動の影響を受けやすくなります。 高性能キラル光子源を開発するには、上記のボトルネックを打破し、偏光をさらに改善することが重要な問題となります。

Nature Electronicsに掲載された記事の中で、Junyong Kang教授、Rong Zhang教授、Yaping Wu教授が率いるアモイ大学の半導体研究チームと、日本、中国、スウェーデンの他のグループは、軌道制御の新しい戦略を提案した。トポロジカルスピン保護。室温およびゼロ磁場下での大面積トポロジカルメロン格子の安定性のボトルネックを打破します。 彼らはさらにトポロジカル格子を利用して電子と光子のスピン角運動量を効果的かつ首尾よく操作し、トポロジカルスピン発光ダイオードを初めて開発した。 この成果により、トポロジカルに保護された準粒子からフェルミ粒子、さらにはボーソンへのカイラリティ転移が実現し、量子状態の操作と伝達のための新たな経路が開かれました。 Xuefeng Wu、Xu Li、Wenyu Kang はこの記事の共同執筆者です。

1.C大規模トポロジーの構築がある格子

トポロジーは、数学、物理学、化学を含む多くの分野で重要な概念です。 スキルミオンやメロンなどのトポロジカルスピン構造は、その独自のトポロジカル保護機能により、従来の電子材料よりも高い安定性を持っています。 トポロジカル固有状態を偏光子源に導入することは、偏光材料の安定性のボトルネックを突破する実現可能な解決策となっています。 しかし、既存のトポロジカルスピン構造には格子スケール、秩序、温度または磁場の要件に制約があり、デバイスアプリケーションのニーズを満たすことができません。

研究チームは、電子スピンにおける軌道制御によるトポロジカル保護の新しい原理を提案した。 理論的シミュレーションに基づいて、研究チームは、結晶成長中に強い磁場を適用すると、軌道結合が強化および凍結され、それによって結晶の秩序が改善され、強力なジャロシンスキー・モリヤ相互作用が誘発されることを証明した。 これらの変化は、大規模なトポロジカル格子の核生成を促進し、室温およびゼロ外部磁場下での安定性の問題を克服します。

この革新的なアイデアの指導の下、チームは高磁場支援分子線エピタキシー装置を設計および構築し、後に中国と米国で特許を取得しました。 体系的な材料選択の後、ワイドバンドギャップ半導体基板上に大規模で長距離の規則的なトポロジカルメロン格子を成長させることに成功した。 この格子は室温およびゼロ磁場下で高い安定性を有しており、その後のトポロジカル固体光源の開発のための強固な基盤を築きます。