清華大學實現(xiàn)室溫光學自旋霍爾效應及自旋光子學器件

自旋或谷電子的自由度能夠用于信息的編碼、存儲和傳輸，在推動下一代自旋電子學或谷電子學器件的應用中展現(xiàn)出巨大潛力。自旋霍爾效應（Spin Hall Effect）對發(fā)展自旋電子學器件十分重要，它通過自旋-軌道耦合使不同自旋的電子在材料中產生定向運動，從而形成單一自旋電流。但受限于電子散射導致的快速退相干效應，在室溫下形成宏觀尺度的純自旋電流極為困難。

激子極化激元是激子與光子在半導體微腔中強耦合形成的量子疊加態(tài)，最早由2024年諾貝爾物理獎獲得者霍普菲爾德（John Hopfield）在1958年提出。由于激子極化激元是一種電中性的準粒子，它能夠有效抑制庫侖相互作用引起的電荷散射，因此被認為是理想的自旋流載體。在斜入射共振激發(fā)產生的激子極化激元中，類比于電子自旋在磁場中分離，其自旋也會在由光學微腔TE-TM劈裂形成的等效磁場中不斷偏轉，從而在實空間和動量空間產生自旋分離現(xiàn)象，即激子極化激元的光學自旋霍爾效應（Optical Spin Hall Effect），是自旋-光電子學（spin-optronics）器件應用的重要基礎。2005年，阿雷克希·卡福金（Alexey Kavokin）教授首先從理論上預測了激子極化激元的光學自旋霍爾效應，并很快在液氦溫度下砷化鎵量子阱微腔中獲得了實驗驗證。然而，由于砷化鎵等經典半導體中激子結合能較小，激子在室溫下無法穩(wěn)定存在，激子極化激元體系中尚未發(fā)現(xiàn)有室溫穩(wěn)定的自旋流存在。

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圖1.在室溫下FAPbBr3微腔中，激子極化激元在動量空間和實空間的自旋分離現(xiàn)象。a，c展示了實驗結果，b，d為理論計算，實驗數(shù)據與理論結果高度吻合

為了解決這些問題，清華大學物理系熊啟華課題組合作成功制備了高質量的有機-無機雜化鈣鈦礦甲脒鉛溴（FAPbBr3）微腔器件。該鈣鈦礦半導體材料具有較大的激子結合能，且不存在本征各向異性導致的線性劈裂，是實現(xiàn)室溫光學自旋霍爾效應和自旋光子學器件的理想平臺。研究團隊通過表征激子極化激元發(fā)光的圓偏振度，利用光學自旋-軌耦合實現(xiàn)了激子極化激元的自旋分離，在室溫下首次觀察到了激子極化激元的光學自旋霍爾效應，激子極化激元自旋流在空間的傳播距離達到60微米，并保持自旋流的長程相干性。

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圖2.a，激子極化激元邏輯非門的示意圖。b，實驗結果和理論計算結果：右旋圓偏振光共振激發(fā)FAPbBr3微腔樣品，激子極化激元經過約80微米的傳輸后，其自旋完全偏轉為左旋圓偏振信號輸出，完成一次完整的自旋翻轉，即非門操作。c，自旋極化分束器示意圖：激子極化激元遇到高能勢壘時繞過阻礙，向兩側傳播，分離為兩束具有相反自旋方向的信號輸出。d，自旋極化分束器的實驗和理論結果

基于這一物理現(xiàn)象，合作團隊進一步設計并展示了兩種新穎的激子極化激元自旋光子學器件：邏輯非門和自旋極化分束器。這些激子極化激元器件可以在皮秒尺度內進行全光操作，極大地提升了器件的響應速度，為未來研發(fā)超快自旋光學器件提供了新的可能性。

相關研究成果以“室溫下極化電子學的相干光學自旋霍爾輸運”（Coherent Optical Spin Hall Transport for Polaritonics at Room Temperature）為題，于10月22日在線發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）。

法國里爾大學教授阿爾貝托·阿莫（Alberto Amo）在同期的《自然·材料》上撰寫了評論，對該工作給予了高度評價：“鈣鈦礦基薄膜材料和微腔的結合，通過特定的光學自旋軌道耦合效應，在室溫下實現(xiàn)了激子極化激元攜帶偏振信息的長距離傳播，并展示了片上光學偏振功能器件。這一成果對調控基于偏振態(tài)的光子學將帶來顛覆性的變化（game changer），無疑將激發(fā)未來更多有趣的研究。”

清華大學物理系2019級博士生石瑩和2021級博士生甘雨松為該論文共同第一作者，清華大學物理系教授熊啟華、北京量子信息科學研究院副研究員郭桑吉（Sanjib Ghosh）和西湖大學教授阿雷克�！たǜ＝穑ˋlexey Kavokin）為論文共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金委、北京量子信息科學研究院等機構的資助與支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-02028-2