自旋电子学在信息编码、存储和传输领域展现了巨大的应用潜力。光学自旋霍尔效应开辟了自旋光子学器件研究的新方向。近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）超快光谱学团队在有机-无机杂化钙钛矿甲脒铅溴（FAPbBr₃）微腔中成功实现了激子极化激元的室温光学自旋霍尔效应，为进一步发展自旋光子学器件奠定了基础。2024年10月22日，相关结果以“Coherent Optical Spin Hall Transport for Polaritonics at Room Temperature”为题，在线发表在《Nature Materials》（《自然-材料》）期刊上。

 自旋霍尔效应作为自旋电子学的重要现象，通过自旋-轨道耦合引导不同自旋方向的电子分离形成自旋流，从而开辟了基于自旋的电子器件研究新方向。然而，由于室温下电子散射带来的快速退相干效应，实现宏观尺度的纯自旋流依然是一个重大挑战。研究团队通过设计高质量的FAPbBr₃钙钛矿半导体微腔器件，克服了传统半导体材料在室温下稳定性差的问题，且该体系不存在材料本征各向异性导致的线性劈裂，首次在室温下实现了激子极化激元的自旋分离现象。法国里尔大学的Alberto Amo教授在同期的《自然-材料》上对该工作给予了高度评价：“钙钛矿基薄膜材料和微腔的结合，通过特定的光学自旋轨道耦合效应，在室温下实现了激子极化激元携带偏振信息的长距离传播，并展示了片上光学偏振功能器件。这一成果对调控基于偏振态的光子学将带来颠覆性的变化（game changer），无疑将激发未来更多有趣的研究。”

激子极化激元作为一种电中性准粒子，能有效抑制电荷散射导致的退相干，在自旋流研究中具有独特优势。实验结果显示，激子极化激元的自旋流在空间中传播距离可达60微米，且保持了长程的相干性。基于这一发现，研究团队进一步设计并展示了两种新颖的激子极化激元自旋光子学器件：逻辑非门和自旋极化分束器。这些器件能够在皮秒级时间内实现全光控制，显著提升了响应速度，为未来超快自旋光学器件的研发提供了广阔前景。

图1：在室温下FAPbBr₃微腔中，激子极化激元在动量空间和实空间的自旋分离现象。a, c展示了实验结果，b，d为理论计算，实验数据与理论结果高度吻合。

图2: a, 激子极化激元逻辑非门的示意图。b, 实验结果和理论计算结果：右旋圆偏振光共振激发FAPbBr₃微腔样品，激子极化激元经过约80 微米的传输后，其自旋完全偏转为左旋圆偏振信号输出，完成一次完整的自旋翻转，即“非”门操作。c, 自旋极化分束器示意图：激子极化激元遇到高能势垒时绕过阻碍，向两侧传播，分离为两束具有相反自旋方向的信号输出。d, 自旋极化分束器的实验和理论结果。

该论文第一作者为清华大学物理系博士生石莹和甘雨松，通讯作者为量子院副研究员Sanjib Ghosh、西湖大学教授Alexey Kavokin和量子院/清华大学兼聘教授熊启华，其他重要作者还包括清华大学博士生王毓彬和量子院博士后陈俞忠（2024年1月出站）。该研究得到了国家自然科学基金委、北京量子院等机构的资助与支持。

原文链接： https://doi.org/10.1038/s41563-024-02028-2