清华团队研发室温极化激元自旋器件!

【研究背景】

随着自旋电子学的迅猛发展，基于自旋或谷自由度的研究引起了广泛关注。自旋电子学利用自旋状态来存储和处理信息，具有潜在的高效能和低功耗特性。其中，自旋霍尔效应和谷霍尔效应是生成和控制自旋电流的重要机制。这些效应的实现为自旋电子器件的开发提供了新的可能性，尤其是在室温下长距离自旋传输的需求日益增加。然而，宏观尺度的自旋电流流动受到快速去相干和自旋翻转的挑战，特别是在室温条件下，热加速的自旋扩散会加剧自旋弛豫，这一现象严重限制了自旋电子学的实际应用。

激子极化激元作为半导体微腔中激子与腔光子之间的量子叠加态，被认为是实现室温自旋传输的理想载体。激子极化激元通过光与激子的耦合获得自旋自由度，结合了激子和光子的特性，具备较强的抗散射能力，能有效抑制电荷散射导致的自旋弛豫。因此，激子极化激元在长距离相干自旋电流的生成上展现出良好的前景。然而，目前的研究多集中于低温环境下，室温下的激子极化激元仍面临强烈的热波动和显著的线性自旋分裂等问题，这些因素都会干扰自旋电流的稳定性和可控性。

为了解决上述问题，清华大学熊启华教授、北京量子信息科学研究院Sanjib Ghosh以及浙江西湖高等研究院Alexey Kavokin团队携手致力于探索基于新型材料和结构的激子极化激元系统。其中，甲脒铅溴化物（FAPbBr3）钙钛矿微腔作为一种新型的有机-无机杂化材料，其室温下的凝聚态特性为激子极化激元的研究提供了良好的平台。研究者们通过利用这种材料的特性，成功实现了室温下的光学自旋霍尔效应（OSHE），并观察到了超过60微米的自旋电流传播。这一成果不仅为长距离相干自旋电流的生成提供了直接证据，还推动了基于极化激元的新型自旋光电子器件的发展。

【表征解读】

本文通过光谱学表征手段，揭示了有机-无机杂化FAPbBr3钙钛矿平面微腔中的激子-极化激元自旋轨道霍尔效应（OSHE）。首先，利用动量空间和实空间光谱学技术，作者观测到了不同自旋极化激元的空间分离现象，证明了激元-极化激元自旋流的生成和控制能力。具体而言，通过改变入射光的偏振方向，可以实现极化激元自旋传播方向的调控。这一实验使用定制的光致发光（PL）设备，结合傅里叶成像配置，验证了OSHE现象的空间和动量分布。

为进一步揭示激子-极化激元自旋的长距离空间相干性，本文通过基于飞秒激光器的泵浦探测技术进行了微观机制研究。实验通过430 nm非共振激发中心的飞秒脉冲光源，结合高数值孔径显微镜物镜对激元自旋流的传播行为进行了详细的光谱学测量，展示了其在传输过程中自旋状态的保持。通过这些表征手段，作者成功演示了一个极化激元自旋电子学非门（NOT gate）以及一个非平凡的自旋分束器，这些器件表明激元-极化激元自旋能够用于逻辑运算和信息处理。

在此基础上，本文还通过斯托克斯参数分析，探讨了自旋激元与外加光场偏振方向的耦合关系。实验中，入射光的偏振态能够直接注入激元的初始自旋状态，光致发光（PL）测量中的发射光携带了激元自旋态的信息。通过四分之一波片、半波片和线性偏振片的组合，本文实现了不同偏振态下的极化激元自旋状态的精确测量。实验结果表明，在不同的自旋注入条件下，自旋极化激元依然保持了较强的空间相干性，这为自旋电子学器件的实现奠定了基础。

在理论计算方面，本文基于双分量驱动耗散薛定谔方程，模拟了极化激元自旋流的传播。通过数值求解激元的波函数Ψσ(x, y, t)，作者得到了左右圆偏振光的强度分布，并进一步计算了斯托克斯向量的z分量。通过傅里叶变换，本文还获取了极化激元在动量空间中的信息，为理解其自旋行为提供了微观理论支持。

总之，本文通过光谱学表征、斯托克斯参数测量及理论模拟，深入分析了激元自旋流的形成与调控机制。通过这些手段，作者成功演示了在室温下的自旋霍尔效应，并将其应用于极化激元自旋电子学器件中。这一发现为未来基于自旋的计算和信息处理提供了新的可能性，推动了钙钛矿材料在自旋电子学领域的应用和发展。

【图文速递】

图1: 利用FAPbBr3钙钛矿微腔，光学自旋霍尔效应optical spin Hall effect，OSHE和极化激元器件的示意图和机理。

图2: 在动量空间中，光学自旋霍尔效应OSHE的观测。

图3: 实空间中，激子-极化子自旋流及其与理论比较。

图4: 激子-极化激元长程相干的表征。

图5: 利用光学自旋霍尔输运，实现极化激元自旋电子器件。

【科学启迪】

本文的研究在有机-无机FAPbBr3钙钛矿平面微腔中首次在室温下清晰地观测到了自旋霍尔效应（OSHE），并实现了不同自旋的极化激元在空间上的分离。这项工作展示了生成和控制极化激元自旋电流的能力，表明通过改变入射光的偏振可以调控极化激元自旋的传播方向。研究还表明，在传播过程中，极化激元自旋能够保持远程的空间相干性。基于此，本文展示了自旋电子学器件，如极化激元自旋的非门和非平凡的自旋极化分束器。该研究在室温下实现了自旋霍尔效应，并将其应用于极化激元自旋电子学器件，为未来基于自旋的计算和信息处理技术提供了新的方向，展现出在室温下进行自旋相关应用的巨大潜力。

原文详情：Shi, Y., Gan, Y., Chen, Y. et al. Cohe3t optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02028-2