常見的光通信，是基于光的強(qiáng)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(xué)元件對光源進(jìn)行相位調(diào)控，而光學(xué)元件無法和現(xiàn)有的微電子技術(shù)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(shí)現(xiàn)對光量子態(tài)的調(diào)制，有利于實(shí)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(xué)半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，使用自主研發(fā)的強(qiáng)磁場分子束外延設(shè)備（HMF－MBE），首次獲得有應(yīng)用價值的磁半子晶格，創(chuàng)造性地將拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)用于半導(dǎo)體器件，成功地利用拓?fù)浔Ｗo(hù)性突破對外磁場和低溫條件的依賴，并實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)的有效操控和傳輸，創(chuàng)新研制出拓?fù)渥孕�固態(tài)光源芯片。

破 解學(xué)術(shù)界深奧謎題

磁性材料中的拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)是“拓?fù)洹鳖I(lǐng)域的前沿課題。原來，常見的拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)存在尺度小、依賴低溫和外磁場的問題。

而在拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)的應(yīng)用方面，學(xué)術(shù)界現(xiàn)有的研究側(cè)重于利用光與自旋電流驅(qū)動拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)，如賽道存儲器、斯格明子邏輯門等。

“拓?fù)渥孕�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(tuán)隊(duì)首先通過理論模擬，預(yù)測晶體生長中的強(qiáng)磁場可增強(qiáng)并凍結(jié)電子軌道耦合作用，進(jìn)而突破大面積拓?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)的生長瓶頸，并實(shí)現(xiàn)室溫與零外場下的穩(wěn)定性。

怎么做到的？團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)搭建了強(qiáng)磁場分子束外延設(shè)備，該設(shè)備擁有中國和美國雙重專利。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化材料體系，最終在寬禁帶半導(dǎo)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?fù)渥孕�固態(tài)光源芯片的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

廈門大學(xué)半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)把磁半子晶格比喻成拓?fù)渥孕�固態(tài)光源芯片的橋梁——依托于拓?fù)浔Ｗo(hù)的磁半子晶格實(shí)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?fù)渥孕�結(jié)構(gòu)能否操控電子和光子”的答案也浮出了水面——團(tuán)隊(duì)結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流通過芯片時，磁半子晶格可以有效調(diào)控電子的輸運(yùn)軌跡，進(jìn)而操控其自旋極化。進(jìn)一步將自旋極化電流注入半導(dǎo)體量子阱中，實(shí)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(xué)半導(dǎo)體研究團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了拓?fù)洳牧蠌睦碚摰狡骷�的新突破，開拓了光電子學(xué)與拓?fù)渥孕�電子學(xué)交叉融合的新領(lǐng)域。

它向世界宣告：拓?fù)渥孕�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(yīng)用。

據(jù)了解，拓?fù)渥孕�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(dǎo)體光電子領(lǐng)域的應(yīng)用探索尚未有更多的開展。

如今，廈門大學(xué)已經(jīng)邁出了可喜第一步，構(gòu)建了從材料生長到器件應(yīng)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(shù)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

可以預(yù)見，在不遠(yuǎn)的未來，拓?fù)渥孕�固態(tài)光源芯片將走出廈門大學(xué)，邁向產(chǎn)業(yè)，向世界宣告這一“中國智造”。