湖南师范大学物理与电子科学学院教授翟亚新,践行自主创新,变革自旋物态调控新方法

■文／徐 飞

芯片被称为现代工业的“粮食”，是制造业的核心技术，是信息技术产业最重要的基础性部件。随着半导体电路集成度越来越高，芯片功耗和量子尺寸效应等科学问题已经成为世界科技前沿研究的热点和难点，解决途径之一是探索以自旋为信息载体的新材料及新原理器件，以满足未来信息器件低能耗、高效率和高可靠性的要求。

因此，融合了光学、磁学和半导体技术的自旋光电子学已成为我国优先发展的领域之一，而新型半导体中载流子自旋量子态的调控已经成为物理、化学、材料和信息等多个学科的前沿科学问题。

湖南师范大学物理与电子科学学院教授翟亚新围绕有机-无机杂化半导体中的光对载流子自旋态的调控机制及其对新原理器件性能的影响等科学问题，开发了使用超快光谱学方法研究自旋相关能级结构和自旋动力学的新技术，揭示了新型半导体中的光、磁场和材料空间结构对载流子及其自旋的调控机理，为自旋量子态的有效调控和高性能自旋光电子器件的设计提供了理论指导和技术支撑。

翟亚新于2017年博士毕业于犹他大学物理与天文学院，在攻读博士学位期间荣获国家自费留学生奖学金和犹他大学Swigart 奖学金。她于2018年加入美国国家可再生能源实验室（NREL）从事博士后研究，并连续三年担任美国能源部有机-无机半导体能源中心青年研究者主席，更于2020年荣获NREL杰出贡献者奖。

自旋光电子器件将自旋量子信息通过光子的圆偏振态来表达，信息处理能力较传统电子设备大大增强，是光量子通信电路的重要组成部分。基于传统半导体的自旋光电子器件造价较高，近年来，有机-无机杂化钙钛矿半导体（以下简称“钙钛矿或杂化半导体”）因高光电转化效率、低成本、易制备等优势成为最具商业应用前景的新一代半导体，同时也为自旋光电子学开辟了新的方向。

目前，杂化半导体自旋光电器件的研究才刚刚起步，纯自旋量子态的产生效率还很低，人们还不清楚钙钛矿中的自旋输运的物理机制，也无法确认磁（自旋）-光-电的耦合作用如何影响电子的自旋能带结构从而影响器件效率，因此缺乏系统调控自旋和提升器件性能的有效方法。

针对上述关键问题，翟亚新发展了使用超快光谱学方法研究自旋相关能级结构和自旋动力学的新技术，提出了利用手性诱导的自旋选择效应（CISS）操控电子自旋的新方法，实现了在室温零磁场下的高效自旋极化注入和圆偏振光子发射，证实了存在反演非对称和强自旋轨道耦合半导体量子体系中的自旋能级劈裂，揭示了自旋单重态和三重态相互转换的物理机制，为高性能自旋光电子器件的设计提供理论指导和技术支撑。

半导体中自旋的载体是电子或空穴（即载流子），因此充分理解载流子的产生、传输、迁移和复合过程是设计高效自旋光电器件的前提条件。目前有机-无机杂化半导体中载流子行为的研究大多聚焦在如何提高光电转换效率等应用上，如载流子寿命和迁移率等，而自旋光电器件中更关键的问题是界面处载流子的传输、复合和转移，载流子光激发态的种类及其在光量子通信的应用等。

针对上述关键问题，翟亚新开发了联用超快反射光谱和超快太赫兹光谱的新方法，揭示了钙钛矿表面光致载流子的迁移和复合过程，发现了激子和自由载流子同时存在于含碘钙钛矿中的光谱证据，证实了激子束缚能是影响超快光谱特性的重要因素，在钙钛矿点阵和硅衬底之间通过调控激子束缚能成功实现了表面等离极化激元。

在有机-无机杂化半导体的自旋光电子学方面拥有较为深厚的工作积累和良好的学术创新能力，且研究成果涉及新型半导体中自旋态控制、有机-无机杂化半导体材料与器件、手性物质和超快光学技术等多个国家优先发展领域，符合国家发展壮大战略性新兴产业“十四五”规划的主旨，所以翟亚新选择于2021年3月入职湖南师范大学物理与电子科学学院担任特聘教授，开始了全新征程。

自旋光电器件最关键的部分是实现自旋量子态在材料空间结构及外场等多种手段下的有效调控，因此从基础原理上深入理解新型半导体中自旋相关的物理特性，从而揭示自旋调控的物理过程，厘清调控机理，构建统一的物理图像，对于探索以自旋为信息载体的新原理器件的至关重要。目前基于有机-无机杂化半导体的自旋光电子学才刚刚起步，人们还缺乏系统调控自旋和提升器件性能的有效方法。

有鉴于此，翟亚新在原有工作基础上利用所掌握的超快光谱技术，依托湖南师范大学继续加强国际合作搭建高水平研究平台，潜心研究有机-无机杂化半导体中自旋量子态调控的物理机制。

具体而言，她会将圆偏振的泵浦和探测光引入超快光谱技术，并设计开发针对工作器件的原位超快光谱学技术，实现在全光学波段和太赫兹波段对自旋注入和自旋弛豫过程的原位观测，从一个全新的角度对自旋量子态的操控过程和机制予以深入研究。她希望实现在全光学波段和太赫兹波段对自旋注入和自旋弛豫过程的原位观测，从一个全新的角度揭示自旋量子态的操控过程和物理机制，厘清新型半导体中材料手性、Rashba 效应和界面处的自旋传输等物理过程，揭示光、磁场和材料空间结构对载流子及其自旋的调控机理，为自旋量子态的有效调控和高性能自旋光电子器件的设计提供理论指导和技术支撑。

基于新材料和新原理的半导体自旋光电子技术是新一代信息技术体系的重要组成部分。新型自旋光电材料的开发、新原理器件的探索和与现有硅基微电子器件的互补等是实现低功耗、高效率和高可靠性量子通信的关键技术支撑，正成为各国竞相争夺的科技前沿。

这些关键技术对发展下一代信息技术和新能源技术、保障国家信息安全有着重大战略意义和深远影响。而以翟亚新为代表的科技界年轻一代正为此而矢志不渝，上下求索。