简介：半导体的可调谐发光和激射是半导体技术研究领域关注的热点问题之一， 也是其最重要的应用。 通过能隙工程，包括尺寸效应和组分合金制备、纳米结构组分效应、掺杂与微腔效应均已证明可以实现半导体的发光调谐。 邹炳锁教授团队长期研究半导体发纳米结构光与其自旋光子学行为，近来他的团队与沙特Majmaah大学M. A. Kamran博士（邹老师前学生）合作提出了一种新的调控半导体发光的方法，通过磁性半导体中过渡金属离子间的自旋耦合来实现半导体的发光调谐和远距双色单模激射，相关文章以Dual-Color Lasing Lines from EMPs in Diluted Magnetic Semiconductor CdS:NiI Structure为题，发表在Research（2019，DOI: 10.34133/2019/6956937）上。
背景：2018年，Science发布了全世界最前沿的125个科学问题，其中一个问题是：是否可能制造出室温下的磁性半导体？ 这个问题提出的初衷是人们如何利用最后一个量子自由度来室温实现信息的存储与处理，这样一个优势是能耗低，另一个是打破目前0与1调控的信息处理机制。
图片作者：邹炳锁
这个问题主要涉及到磁性的产生机制，还涉及到半导体的带隙大小、化合物的结构与掺杂等信息。对过渡金属离子铁磁耦合的离子团簇来讲，室温下的铁磁性在II-VI族半导体中遵守其局部结构对称性情况下自旋离子耦合态主导磁性时从来不是个问题， 但是如其它的由载流子参与的相互作用导致的铁磁性却可能较难实现高温磁性，而人们更希望能从现在旁边应用的微电子学直接过渡到自旋电子学，这样的成本很低，但事与愿违，各种载流子的分数量子耦合态通常出现的温度都很低。 因此“磁性半导体的磁性本质是什么?”这才是磁性半导体研究的第一个关键问题。人们大多关注磁性半导体中其基态电子的自旋极化行为，而较少关注其激发态或者激子的自旋极化行为。这二者的区别展现出的是人们关心的到底是自旋激子性质还是自旋电子性质作为磁性半导体物性本质？ 如带隙与能带结构可能是划分它们的关键要素，此时是激子还是载流子决定自旋耦合态的行为，才是人们关注的核心问题。对宽带隙稀磁半导体而言，显然关注前者才更有价值，因为其激子的稳定性更高， 更有利用价值。
进展与展望：众所周知，过渡金属离子掺杂半导体会导致金属离子的d-d跃迁发光，但由于跃迁禁戒的原因，其发光并不显著，而且其波长强烈地依赖于晶体场，在一个确定的晶场中，其发光波长并不能调谐， 而且多数过渡金属离子的最低d-d跃迁能级在红外区，并不好观测。但我们在实验中发现，如果半导体中存在着强大的自旋轨道耦合或者离子聚集的话， 其跃迁规则会改变， 从而导致自旋耦合的离子聚集体可以产生高效发光， 其发光可与离子的铁磁耦合聚集度相关而发生调谐【MAK and BSZ，Nanotechnology2014】，而且铁磁耦合产生的发光红移， 反铁磁耦合聚集体产生的发光蓝移【HLP and BSZ， Nanotechnology2017】。再加上本文的结果，首先证明自旋耦合相互作用是调谐半导体发光的另一个相互作用。
半导体中过渡金属离子聚集的发光能够调谐，那它的应用仅限于此吗？显然不是。 我们知道半导体发光来自于其中的激子，d-d跃迁可以视为弗伦克尔激子；这样的激子能相干产生激射吗， 如何产生？ 我们在Research（2019）的文章里就回答了这个问题，而且还提出了一些新的问题， 如半导体中不同玻色子的共存， 如自旋极化激元效应如何实现。
与自旋极化电子的空间效应和微观相互作用相比，宽带隙稀磁磁性半导体的自旋极化激子的相干效应产生需要的条件更低，也可能更有实用价值，现有实验证明了稀疏的自发铁磁磁矩能固定自由激子产生EMP（excitonic magnetic polaron），这种磁化激子元激发能极化周围的激子和自由自旋，诱导出更大的EMP集合体，并产生玻色子激光发射。这类似于激子极化激元的单模激射，激射出自于一种自旋相干的宏观量子态。 本文的实验结果还证明了两种不同的自旋极化激子宏观态可以共存，体现了玻色子的兼容性，而不是光学微腔光子耦合的激子复合。这一现象与自旋极化电子态因泡利不相容原理具有排他性完全不同。
众所周知，声子、磁子和激子都是玻色子，声子极化激元、磁子极化激元与激子极化激元都存在，可以凝聚。然而它们是否可以在特定尺寸的磁性半导体微结构中实现它们复合的极化激元？条件是什么？是否更易导致凝聚？答案是非常积极的。 与激子极化激元类似，它是否可以认作自旋极化激元，有发生凝聚的可能吗？实验证实有，但急需理论回答，以指导后续的实践。
在以往工作中，邹炳锁教授团队发现了一系列宽带隙半导体微米结构中不同过渡金属离子自旋与激子耦合产生的自旋极化激子态及其关联聚集行为。 在本文中作者通过CVD生长方法制备了Ni（II）和I离子掺杂的稀磁半导体微米带，Ni离子在百分之四以下，I离子掺杂量更少。当用飞秒激光激发下它实现了远距双色的EMP单模激射行为， 证明其中离域自旋极化激子（EMP）和部分局域自旋极化激子（高能级d-d跃迁）而不是自旋极化载流子决定其发光和相干激射行为，而且铁磁耦合自旋而不是光学微腔为这种激子聚集或集体行为提供了驱动力，这为今后磁性半导体和激子凝聚态研究指明了一个新方向，有可能推进磁性半导体在量子调控和新型光源方面的应用（图1、图2）。
图1 CdS晶格中Ni和I掺杂分布和不同量子激发态的空间分布
图片作者：邹炳锁
图2 CdSNiI2 NB的电子结构，其中黄色是硫化镉的导带， 绿色部分为含有NiI纳米团簇的由d轨道主导形成的子带
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