科大研發「鈣鈦礦手性多量子阱架構」

香港科技大學（科大）化學系教授呂海鵬教授率領研究團隊，在光電技術領域自旋控制方面的研究取得重大突破。團隊成功研發「鈣鈦礦手性多量子阱架構」，使電子在室溫下自旋極化的保持時間延長約300倍，為未來量子科技及自旋相關的應用發展開拓更多可能。相關研究成果近日已於國際研究期刊《Nature Photonics》發表，題為《Perovskite chiral multiple quantum wells with extended spin lifetime via efficient spin cascade》。

半導體產業掌握現代光電技術發展的命脈，但業界一直面臨提升處理速度與減少能源消耗的雙重挑戰。為突破這些限制，研究人員積極探索新方向，尤其是利用電子自旋為基礎的新型技術。然而，由於自旋退相干的過程極快，以致室溫下的自旋操控仍然相當困難。

為克服這些挑戰，科大團隊開發出能夠實現高效「自旋級聯」（spin cascade）的鈣鈦礦手性多量子阱。研究團隊採用兩步晶種輔助結晶法，成功構築出排列有序、具有不同阱寬的量子阱結構，使其本徵手性連續貫穿二維（n=1）、準二維（n=2、3、4……）及三維（n=∞）鈣鈦礦相。這些相互連接的量子阱形成具有梯度能級及連續手性的結構，產生一系列自旋極化中間態，促進自旋在連續的量子阱之間高效傳遞，同時減少界面自旋損失，並抑制材料內部的自旋弛豫。研究結果顯示，電子自旋極化在室溫下可維持約5納秒，突破了長壽命自旋極化通常只能在極低溫下實現的傳統限制。

延長的自旋極化保持時間使材料能夠產生圓偏振發光，其發光不對稱因子（g_lum）最高達1.4 × 10⁻²。此外，材料亦展現出自旋依賴的電荷傳輸特性，其極化程度超過80%。建基於上述特性，研究團隊更進一步將概念付諸應用，開發高效X射線觸發的不對稱光聚合反應，以及高性能圓偏振光探測，突顯材料在不對稱光催化及先進光學探測領域的應用前景。

回顧此研究成果，呂教授表示：「我們的研究證明，透過在連續量子阱相中引入本徵手性，並結合梯度能級結構，能夠促進鈣鈦礦半導體中的高效自旋傳遞，顯著延長自旋極化保持時間。這項成果為自旋累積提供了極具潛力的材料平台，亦為開發先進手性光學及自旋電子器件開拓了新方向。」