안 온

CAS 창춘광학연구소 정밀기계물리학 광출판센터

이미지: 자기력 현미경을 통해 구성된 대규모 메론 격자 시연.더보기

출처: Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang 및 Junyong Kang 작성

광자는 양자 역학의 기본 입자 중 하나입니다. 양자 상태의 효과적인 조작 및 변조는 양자 컴퓨팅 및 양자 보안 통신과 같은 다양한 애플리케이션의 초석입니다. 키랄 광자 소스는 광원 내에서 빛의 양자 상태를 현장에서 변조할 수 있으며, 이는 장치 통합 및 소형화에 유리합니다. 따라서 키랄 광자 소스는 양자 기술에서 이상적인 광원으로 간주됩니다.

기존의 키랄 광자 소스는 일반적으로 전자와 광자의 스핀 각 운동량을 조작하기 위해 스핀 편극 물질을 사용합니다. 외부 자기장이나 저온 환경이 대부분 요구되는 경우에도 획득된 분극 및 안정성은 일반적으로 열악하고 전자기 섭동에 취약합니다. 위의 병목 현상을 극복하고 편광을 더욱 개선하는 것은 고성능 키랄 광자 소스를 개발하는 데 중요한 문제가 됩니다.

강준용 교수, 장롱(Rong Zhang) 교수, 우야핑(Yaping Wu) 교수가 이끄는 샤먼대학교 반도체 연구팀은 네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)에 게재된 논문에서 일본, 중국, 스웨덴의 다른 그룹과 함께 궤도 조절의 새로운 전략을 제안했습니다. 위상적 스핀 보호, 실온 및 제로 자기장 하에서 대면적 위상적 메론 격자의 안정성 병목 현상을 해소합니다. 그들은 또한 토폴로지 격자를 사용하여 전자와 광자의 스핀 각 운동량을 효과적이고 성공적으로 조작하고 처음으로 토폴로지 스핀 발광 다이오드를 개발했습니다. 이 성과는 위상적으로 보호된 준입자에서 페르미온, 나아가 보존으로의 키랄성 전달을 실현하여 양자 상태 조작 및 전송을 위한 새로운 경로를 열었습니다. Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang은 이 기사의 공동 첫 번째 저자입니다.

1.씨대규모 토폴로지 구축있다격자

토폴로지는 수학, 물리학, 화학을 포함한 많은 분야에서 중요한 개념입니다. 스커미온(Skyrmions), 메론(Meron)과 같은 위상학적 스핀 구조는 고유한 위상학적 보호 특성으로 인해 기존 전자 재료보다 안정성이 높습니다. 편광된 광자 소스에 토폴로지 고유 상태를 도입하는 것은 편광된 재료의 안정성 병목 현상을 극복할 수 있는 실현 가능한 솔루션이 되었습니다. 그러나 기존 토폴로지 스핀 구조는 격자 규모, 순서, 온도 또는 자기장 요구 사항에 제약이 있어 장치 응용의 요구 사항을 충족할 수 없습니다.

연구팀은 전자 스핀에서 궤도 조절 위상 보호의 새로운 원리를 제안했습니다. 이론적 시뮬레이션을 기반으로 팀은 결정 성장 중에 강한 자기장을 적용하면 궤도 결합을 강화하고 동결시켜 결정 순서를 개선하고 강력한 Dzyaloshinsky Moriya 상호 작용을 유도할 수 있음을 증명했습니다. 이러한 변화는 대규모 토폴로지 격자의 핵 생성을 촉진하고 실온 및 제로 외부 필드에서 안정성 문제를 극복합니다.

이 혁신적인 아이디어를 바탕으로 팀은 높은 자기장을 이용한 분자빔 에피택시 장비를 설계하고 제작했으며, 이는 나중에 중국과 미국에서 특허를 받았습니다. 체계적인 재료 선택 후, 넓은 밴드갭 반도체 기판 위에 대규모의 장거리 정렬 토폴로지 메론 격자가 성공적으로 성장했습니다. 격자는 실온과 제로 자기장에서 높은 안정성을 가지며, 이후 위상학적 고체 광원을 개발하기 위한 견고한 기반을 마련합니다.