1.北航集成电路科学与工程学院发表重要研究成果：构建“无畴壁”磁性结构实现垂直磁矩全电学翻转

2.北京大学物理学院王剑威、龚旗煌、常林团队实现首个大规模量子通信芯片网络

3.广东工业大学：张紫辉教授团队在《Light: Science & Applications》上发表GaN基光电集成芯片最新研究成果

1.北航集成电路科学与工程学院发表重要研究成果：构建“无畴壁”磁性结构实现垂直磁矩全电学翻转

近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授、张悦教授团队在亚铁磁自旋电子器件领域取得突破性进展。基于亚铁磁材料独特的双亚晶格磁性结构，团队提出了电压驱动氢离子非对称迁移的调控方案，动态构建了一种非常规的“无畴壁”磁性结构，并利用该结构实现了无外磁场下垂直磁矩的全电学翻转，为亚铁磁自旋电子器件高效稳定的信息写入开辟了新路径。相关研究成果以“Field-Free Electrical Switching of Perpendicular Magnetization via Domain-Wall-Free Textures in Ferrimagnets”为题，发表于国际物理学顶级期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

自旋电子器件利用磁性记录层的不同磁态实现信息存储，兼具非易失、高速度和低功耗等优势，是“后摩尔”时代高性能存储与计算架构中的重要技术之一。新型磁性结构（Magnetic Texture）的发现及高效调控，是实现新型自旋电子器件信息读写功能的重要物理基础。二十一世纪以来，研究人员已相继探索出斯格明子（Skyrmion）、霍普夫子（Hopfion）等一系列特殊磁性结构，并持续推动其在自旋电子器件中的应用研究。然而，受限于传统铁磁材料相对单一的磁结构及较强的磁偶极场作用，其体系内进一步发现与调控新型磁性结构面临较大挑战。

图1 非对称氢离子迁移构建“无畴壁”磁性结构

针对这一关键问题，团队围绕另一类磁性材料——亚铁磁合金材料展开研究。亚铁磁合金CoTb具有双亚晶格反铁磁耦合、杂散场低、磁结构丰富等特点。研究结果表明，利用固态氢离子栅控结构，通过电压驱动氢离子在亚铁磁薄膜中的非对称迁移，能够构建出一种非常规的新型磁型结构。具体而言，该磁性结构表现为相邻区域净磁化方向相反，但亚晶格磁矩方向相同，即具有“宏观上表现出不同磁畴，但微观上磁畴转化区域并不存在畴壁”的特点（见图1），突破了传统磁畴与畴壁相伴产生的常规认知。并且，通过电压控制氢离子迁移方向，能够动态、可逆地调控该新型磁性结构的存在与湮灭。

图2 特殊磁性结构诱导的垂直磁矩全电学翻转

此外，研究发现在引入该“无畴壁”磁结构后，器件在无外磁场条件下可实现自旋轨道矩驱动的垂直磁矩确定性翻转。如图2所示，研究团队采用电学输运测试和磁光克尔显微表征对该现象进行了系统验证。而在未形成该磁结构的初始器件中，这种无场下电控磁矩翻转现象并不存在。结合理论模型分析与微磁仿真（见图3），团队进一步揭示了器件中对称性破缺的物理起源：亚晶格磁矩强度在两个磁畴的交界处呈连续变化，从而在局域范围内形成磁化强度不对称性（局域对称破缺），打破了镜面对称性，最终实现全电控垂直磁矩翻转。

图3 理论模型分析与微磁仿真

该研究工作紧密结合了磁结构调控与亚铁磁材料的双亚晶格特性，拓展了对亚铁磁材料中复杂自旋结构及其功能性的认识。应用层面，利用电压驱动离子迁移调控磁态的方法，兼具非易失性与可编程性，克服了传统电控垂直磁矩翻转对外磁场的依赖，为实现更低功耗、更高集成度、更强扩展性的自旋存储与逻辑器件提供了新的解决思路。

北航集成电路科学与工程学院2025届博士毕业生冯学强、张志仲副教授、2024级博士生谢雨泽、郑臻益副教授为本文共同第一作者，北航集成电路学院张悦教授、张志仲副教授和郑臻益副教授为论文共同通讯作者，北京航空航天大学为第一单位。此外，赵巍胜教授对相关项目开展提供了密切指导与支持。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支撑。（北航集成电路科学与工程学院）

2.北京大学物理学院王剑威、龚旗煌、常林团队实现首个大规模量子通信芯片网络

2026年2月11日，物理学院现代光学研究所王剑威教授、龚旗煌教授团队与电子学院常林研究员团队在《自然》上发表了题为《基于集成光量子芯片的大规模量子通信网络》（“Large-scale quantum communication networks with integrated photonics”）的突破性研究成果。研究团队成功研制出全功能集成的高性能量子密钥发送芯片与光学微腔光频梳光源芯片，并构建了全球首个基于集成光量子芯片的大规模量子密钥分发网络——“未名量子芯网”。该量子网络支持20个芯片用户并行通信，两两通信距离达370公里并打破无中继界限，组网能力（客户端对数×通信距离）达3700公里，在芯片用户规模与组网能力上均达到国际领先水平。

量子密钥分发基于量子力学原理，可实现理论上无条件安全的通信。其中，双场量子密钥分发（TF-QKD）兼具测量设备无关的安全性与超长距离传输优势，且天然适用于星型网络架构，可集中配置昂贵的超导单光子探测资源于中心节点，大幅降低用户端成本，被视为实现规模化量子通信网络的重要方案之一。然而，TF-QKD的实现高度依赖远程独立激光源之间稳定的单光子干涉，对光源噪声抑制及全局相位的高精度锁定与追踪提出了极高要求，现有实验大多仍基于体块或分立光纤器件，且多数为两用户点对点系统。

量子密钥分发芯片（QKD芯片）是实现量子通信系统小型化、设备实用化和网络规模化的重要路径之一。自2004年提出集成量子密钥分发芯片概念以来，过去20余年间，QKD芯片与器件的功能不断完善、性能持续提升。北京大学团队在该领域长期深耕，前期已实现多项国际领先成果，包括两芯片间量子纠缠分发与量子隐形传态（Nature Physics 2020）、多芯片间量子纠缠网络（Science 2023）、面向空间光量子通信的涡旋光纠缠芯片（Nature Photonics 2025）。

图1 基于光量子芯片的“未名号”大规模量子密钥分发网络

团队在中心服务器节点采用高品质因子氮化硅光学微腔频率梳作为种子光源阵列，通过自注入锁定方式产生线宽达赫兹量级的超低噪声相干暗脉冲频率梳，频率梳经下行光纤分发至各用户节点并完成解复用。用户端采用了20个独立的磷化铟光量子芯片，每个QKD芯片单片集成了激光器、调制器、衰减器、密钥编码与解码器件等全部功能模块，实现了晶圆级制造、高良率、低成本、高性能的QKD芯片解决方案。系统基于弱相干态完成量子态编码，编码后的信号经上行光纤发送至服务器端，最终实现单光子干涉与测量。

图2 集成光量子芯片性能表征

图2系统展示了微腔光梳芯片与QKD发送芯片的关键性能。频梳工作于1550nm通信波段，锁定后梳齿频率噪声功率谱密度的白噪声基线约为13Hz2Hz-1，对应短时线宽约40Hz，展现出优异的相干性。片上集成分布式布拉格反射器激光器具有调谐范围，在注入锁定条件下，其频率与相位可高度复制种子光，线宽达到相当水平。对20个用户芯片上的120个相位调制器（构成60个强度调制器）测试结果显示，干涉消光比超过33dB，其中117个器件性能正常，良率达97.5%。研究团队进一步搭建了多芯片协同的量子网络，实现多用户并行运行发送-不发送TF-QKD协议。系统在204公里和370公里上行链路条件下均实现低误码率运行，并在370公里处突破无中继线性码率极限，相对理论上界提升最高达251.4%。

图3 多用户TF-QKD芯片网络实验结果

（北京大学）

3.广东工业大学：张紫辉教授团队在《Light: Science & Applications》上发表GaN基光电集成芯片最新研究成果

近日，我院张紫辉教授团队在实现紫外光到蓝光的可视化预警研究领域取得重要进展。相关研究论文以“Making UV light visible by exciting polarization-gate phototransistor to achieve energy transfer into GaN-based blue emission”为题，发表于光学领域的国际顶级期刊《Light: Science & Applications》（影响因子：23.4，中科院一区TOP期刊）。

紫外光电探测器是监测紫外线强度的核心器件。目前，基于AlGaN材料的光电探测器因其高效的光电转换能力而被广泛应用。然而，传统紫外光探测器通常需要复杂的封装工艺或额外的栅极控制，增加了制造成本和操作难度。此外，紫外光本身不可见，如何快速、直观地感知其存在，一直是研究热点。近年来，研究者尝试将紫外光探测器与可见光LED单片集成，通过紫外光激发可见光发射，实现对紫外光的可视化检测。现有方案包括：利用多量子阱同时实现发射与吸收、将可见光LED模块与紫外探测器芯片封装集成、以及设计NPN结构实现无栅极控制等。然而，这些方案或需要复杂的栅极控制，或依赖反向偏置的PN结，难以兼顾高灵敏度和低功耗。因此，开发一种结构简单、响应迅速、易于集成的紫外光探测器件，成为领域内的重要挑战。

图1（见原文Fig. 2）：(a)等效电路图及工作机理：(a1)305 nm的紫外光和(a2)Mini-LED产生的460 nm可见光的EL光谱；(a3)无305 nm紫外光激发时光晶体管关闭；(a4)有紫外光激发时光晶体管开启；(b)输入偏压、外部紫外光信号与可见光信号的逻辑关系示意图；(c)紫外激发光源的光功率随注入电流的变化关系；(d)不同紫外光功率下Mini-LED的电致发光光谱。

针对上述挑战，研究团队创新性地提出并研制了一种基于极化栅效应的单片集成光电器件。该器件由两部分组成：极化栅紫外光晶体管和InGaN/GaN基可见光Mini-LED，两者通过原位外延生长集成于同一蓝宝石衬底上。该光电集成器件最突出的创新在于其“极化栅”设计。与传统的三端光晶体管不同，该器件仅有两个电极。如图1所示，研究者利用u-GaN/AlGaN异质结界面的极化效应产生的负极化电荷，在u-GaN(L1)层中形成电子耗尽区，从而在无紫外光照射时自然夹断电子通道，使器件处于关闭状态，电流无法流向Mini-LED。这种设计完全摒弃了外部金属栅极沉积，降低了工艺复杂度。当305 nm的紫外光照射到光晶体管区域时，光生载流子会屏蔽极化电场，恢复u-GaN(L1)层中的电子通道。这使得电流得以流通，并注入Mini-LED的多量子阱中，激发出460 nm的可见蓝光。实验表明，在12.7 mW紫外光激发下，Mini-LED的输出光功率高达81.1 mW，实现了对紫外光的高效可视化转换。

当无紫外光照时，器件在10 V偏压下的正向电流低于1.4×10⁻⁴ mA，确保了器件的低功耗和“常关”安全特性。当器件处于1.3 mW紫外光照条件下时，可将其放大为蓝色的可见光，实现高达32.7倍的光功率转换效率和49.8倍的光子数转换效率。这意味着即使是微弱的紫外光，也能被放大为人眼可见的明亮蓝光（见图2）。研究团队指出，这一成果作为两端器件，便于转移至柔性衬底，为开发低成本、高集成度的可穿戴紫外光预警设备提供了全新的技术路径。此外，该技术还可拓展至紫外光通信和可见光通信领域。通过进一步优化材料生长和器件结构以缩短响应时间、提高灵敏度，这项技术将让看不见的紫外光真正变得“可见”，在个人健康防护、特殊环境预警等领域发挥重要作用。

图2（见原文Fig. 5）：(a)不同正向偏压下的噪声功率密度；(b)不同紫外光功率下Mini-LED的光功率随偏压的变化；(c)不同紫外光功率下Mini-LED的外量子效率随偏压的变化；(d)可见光与紫外光光子数比随注入电流的变化；(e)可见光与紫外光功率转换效率随注入电流的变化。

广东工业大学楚春双副教授为论文第一作者，广东工业大学张紫辉教授为通讯作者。广东工业大学集成电路学院为论文第一完成单位。

（广东工业大学集成电路学院）