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Centro de publicaciones ligeras, Instituto de Óptica, Mecánica Fina y Física de Changchun, CAS

Imagen: Demostración de las celosías de merón a gran escala construidas mediante microscopía de fuerza magnética.ver más

Crédito: de Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang y Junyong Kang

El fotón es una de las partículas elementales de la mecánica cuántica. La manipulación y modulación efectiva de los estados cuánticos es la piedra angular de diversas aplicaciones, como la computación cuántica y la comunicación cuántica segura. La fuente de fotones quiral puede modular in situ el estado cuántico de la luz dentro de la fuente de luz, lo que resulta beneficioso para la integración y miniaturización de dispositivos. Por lo tanto, la fuente de fotones quiral se considera una fuente de luz ideal en tecnología cuántica.

Las fuentes de fotones quirales existentes suelen utilizar materiales polarizados por espín para manipular el momento angular de espín de electrones y fotones. Incluso se requiere principalmente un campo magnético externo o un entorno de baja temperatura, la polarización y la estabilidad obtenidas suelen ser pobres y susceptibles a perturbaciones electromagnéticas. Superar los obstáculos mencionados y mejorar aún más la polarización se convierte en un problema crítico en el desarrollo de fuentes de fotones quirales de alto rendimiento.

En un artículo publicado en Nature Electronics, el equipo de investigación de semiconductores de la Universidad de Xiamen, dirigido por los profesores Junyong Kang, Rong Zhang y Yaping Wu, junto con otros grupos de Japón, China y Suecia, propusieron una nueva estrategia de regulación orbital. protección de espín topológico, rompiendo el cuello de botella en la estabilidad de redes de merón topológico de área grande a temperatura ambiente y bajo un campo magnético cero. Además, utilizaron las redes topológicas para manipular eficaz y exitosamente el momento angular de espín de electrones y fotones y desarrollaron por primera vez un diodo emisor de luz de espín topológico. Este logro logró la transferencia de quiralidad de cuasipartículas topológicamente protegidas a fermiones y luego a bosones, allanando un nuevo camino para la manipulación y transmisión de estados cuánticos. Xuefeng Wu, Xu Li y Wenyu Kang son los coautores de este artículo.

1.Cconstrucción topológica a gran escalahaycelosías

La topología es un concepto importante en muchos campos, incluidas las matemáticas, la física y la química. Las estructuras de espín topológico, como skyrmions y merones, tienen mayor estabilidad que los materiales electrónicos convencionales debido a sus características únicas de protección topológica. La introducción de estados propios topológicos en fuentes de fotones polarizados se ha convertido en una solución factible para superar el cuello de botella de estabilidad en los materiales polarizados. Sin embargo, las estructuras de espín topológico existentes tienen limitaciones en la escala de la red, el orden y los requisitos de temperatura o campo magnético, que no pueden satisfacer las necesidades de las aplicaciones de dispositivos.

El equipo propuso un nuevo principio de protección topológica regulada por orbitales en el espín de los electrones. Basándose en la simulación teórica, el equipo demostró que la aplicación de un fuerte campo magnético durante el crecimiento de los cristales podría mejorar y congelar el acoplamiento orbital, mejorando así el orden cristalino e induciendo fuertes interacciones de Dzyaloshinsky Moriya. Estos cambios facilitarán la nucleación de redes topológicas a gran escala y superarán sus problemas de estabilidad a temperatura ambiente y bajo campos externos cero.

Bajo la dirección de esta idea innovadora, el equipo diseñó y construyó un equipo de epitaxia de haz molecular asistida por un alto campo magnético, que posteriormente fue patentado en China y Estados Unidos. Después de una selección sistemática de materiales, se cultivaron con éxito redes de merón topológicas ordenadas de largo alcance y gran escala en el sustrato semiconductor de banda ancha. Las redes tienen una alta estabilidad a temperatura ambiente y bajo un campo magnético cero, lo que sienta una base sólida para el desarrollo posterior de la fuente de luz topológica de estado sólido.

2.Resolviendo el problema de la transferencia de quiralidad topológicamente protegida

Las estructuras de espín topológico son portadores de información prometedores para futuros dispositivos de alta densidad, alto rendimiento y baja potencia. Sin embargo, sus aplicaciones en optoelectrónica de semiconductores aún no se han explorado. La investigación actual ha manipulado eficazmente estructuras de espín topológico utilizando luz y corriente de espín (como memorias de pistas de carreras, puertas lógicas de skyrmion, etc.). ¿Qué tal el proceso inverso? ¿Pueden las estructuras topológicas de espín manipular electrones y fotones?

A través de una investigación teórica y experimental en profundidad, el equipo descubrió que cuando se inyectan electrones en las redes de merón y en el semiconductor, su trayectoria se puede controlar de manera efectiva, produciendo así una polarización de espín y logrando una emisión de fotones altamente polarizados. Este resultado demostró que la cuasipartícula topológica puede transferir quiralidad a electrones y fotones. El nuevo chip de fuente de luz topológica de estado sólido tiene características cuánticas distintivas y se espera que satisfaga las necesidades de la tecnología cuántica del futuro.

El método HMF-MBE propuesto en este trabajo puede manipular las interacciones dentro de materiales fuertemente correlacionados a través del control orbital. Este método se puede aplicar ampliamente al crecimiento controlable de otros cristales y redes topológicas, como skyrmions y vórtices. Las redes topológicas de merón a gran escala creadas en este trabajo tienen temperatura ambiente y estabilidad de campo cero, lo que proporcionará una plataforma ideal para las fronteras de la investigación en fotónica.

Además, este trabajo ha creado una fuente de fotones quirales en un chip, que puede transferir quiralidad de cuasipartículas topológicamente protegidas a fermiones con masa y luego a bosones sin masa. Este logro tiene importancia científica para las aplicaciones prácticas de estructuras de espín topológico.

10,1038/s41928-023-00990-4

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