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immagine: Dimostrazione della costruzione di reticoli di meroni su larga scala mediante microscopia a forza magnetica.vedere di più

Crediti: di Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang e Junyong Kang

Il fotone è una delle particelle elementari della meccanica quantistica. La manipolazione e la modulazione efficaci degli stati quantistici sono la pietra angolare di varie applicazioni, come l’informatica quantistica e la comunicazione quantistica sicura. La sorgente di fotoni chirali può modulare in situ lo stato quantistico della luce all'interno della sorgente luminosa, il che è vantaggioso per l'integrazione e la miniaturizzazione del dispositivo. Pertanto, la sorgente di fotoni chirali è considerata una sorgente di luce ideale nella tecnologia quantistica.

Le sorgenti di fotoni chirali esistenti tipicamente utilizzano materiali polarizzati in spin per manipolare il momento angolare di spin di elettroni e fotoni. Anche se nella maggior parte dei casi è richiesto un campo magnetico esterno o un ambiente a bassa temperatura, la polarizzazione e la stabilità ottenute sono generalmente scarse e suscettibili alle perturbazioni elettromagnetiche. Superare i colli di bottiglia di cui sopra e migliorare ulteriormente la polarizzazione diventano un problema critico nello sviluppo di sorgenti di fotoni chirali ad alte prestazioni.

In un articolo pubblicato su Nature Electronics, il gruppo di ricerca sui semiconduttori dell'Università di Xiamen, guidato dal professor Junyong Kang, dal professor Rong Zhang e dal professor Yaping Wu, insieme ad altri gruppi provenienti da Giappone, Cina e Svezia, ha proposto una nuova strategia di regolamentazione orbitale protezione dallo spin topologico, rompendo il collo di bottiglia nella stabilità dei reticoli topologici di meroni di ampia area a temperatura ambiente e sotto campo magnetico zero. Hanno inoltre utilizzato i reticoli topologici per manipolare in modo efficace e con successo il momento angolare di spin di elettroni e fotoni e hanno sviluppato per la prima volta un diodo emettitore di luce con spin topologico. Questo risultato ha realizzato il trasferimento della chiralità dalle quasiparticelle topologicamente protette ai fermioni e successivamente ai bosoni, aprendo un nuovo percorso per la manipolazione e la trasmissione dello stato quantistico. Xuefeng Wu, Xu Li e Wenyu Kang sono i primi autori di questo articolo.

1.Construire topologica su larga scalac'èreticoli

La topologia è un concetto importante in molti campi, tra cui matematica, fisica, chimica. Le strutture di spin topologiche, come gli skyrmion e i meroni, hanno una stabilità maggiore rispetto ai materiali elettronici convenzionali grazie alle loro caratteristiche di protezione topologica uniche. L'introduzione di autostati topologici nelle sorgenti di fotoni polarizzati è diventata una soluzione fattibile per superare il collo di bottiglia della stabilità nei materiali polarizzati. Tuttavia, le strutture di spin topologiche esistenti presentano vincoli in termini di scala reticolare, ordinamento e requisiti di temperatura o campo magnetico, che non possono soddisfare le esigenze delle applicazioni dei dispositivi.

Il team ha proposto un nuovo principio di protezione topologica regolata dagli orbitali nello spin degli elettroni. Sulla base della simulazione teorica, il team ha dimostrato che l’applicazione di un forte campo magnetico durante la crescita dei cristalli potrebbe potenziare e congelare l’accoppiamento orbitale, migliorando così l’ordinamento cristallino e inducendo forti interazioni Dzyaloshinsky Moriya. Questi cambiamenti faciliteranno la nucleazione di reticoli topologici su larga scala e supereranno i loro problemi di stabilità a temperatura ambiente e con campi esterni pari a zero.

Sotto la guida di questa idea innovativa, il team ha progettato e costruito un’apparecchiatura per l’epitassia a fascio molecolare assistita da un campo magnetico elevato, che è stata successivamente brevettata in Cina e negli Stati Uniti. Dopo una selezione sistematica del materiale, reticoli topologici ordinati di meroni su larga scala e a lungo raggio sono stati coltivati ​​con successo sul substrato semiconduttore ad ampio gap di banda. I reticoli hanno un'elevata stabilità a temperatura ambiente e sotto campo magnetico zero, ponendo una solida base per il successivo sviluppo della sorgente luminosa topologica allo stato solido.