研究背景
激子極化激元是一種重要的量子狀態，因其在自旋電子學、量子計算等領域的潛在應用而受到廣泛關注。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狀態，結合了激子的局域性和光子的長程相干性。因此，激子極化激元在實現室溫自旋電流傳輸方面展現出獨特優勢，能夠用于開發新型自旋光電子器件。與傳統的半導體材料相比，基于激子極化激元的材料具有較低的電荷散射率和較長的相干長度，使得其在室溫下的自旋傳輸能力得到了極大的提升。然而，強烈的熱波動和線性自旋分裂等問題依然是實現穩定自旋電流流動的重大挑戰。為了解決這一問題，清華大學熊啟華教授、北京量子信息科學研究院Sanjib Ghosh以及浙江西湖高等研究院Alexey Kavokin等人攜手在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature”的最新論文。他們設計并制備了高質量的有機-無雜化鈣鈦礦甲脒鉛溴化物（FAPbBr3）微腔器件，成功實現了激子極化激元的室溫光學自旋霍爾效應（OSHE）。利用這一現象，研究團隊觀測到了自旋電流在微腔中沿不同方向傳播超過60微米，展現了長程相干性。這一發現不僅為理解激子極化激元的物理機制提供了重要證據，還為實現實際應用中的自旋電子器件奠定了基礎。通過利用光學自旋霍爾效應，該團隊成功開發了兩種極化激元器件，即非門和自旋極化分束器。這些器件能夠在超快的皮秒時間尺度上操作，具有較高的速度和效率，展示了極大的應用潛力。這些研究結果為推動室溫極化激元在自旋電子學領域的應用打開了新的前景，標志著自旋光電子學的發展邁出了重要的一步。法國里爾大學的Alberto Amo教授在同期的《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的光子學將帶來顛覆性的變化（game changer）, 無疑將激發未來更多有趣的研究”。
研究亮點
(1) 實驗首次在室溫下觀察到激子極化激元的光學自旋霍爾效應（OSHE），在甲脒鉛溴化物鈣鈦礦微腔中實現了自旋電流的長距離傳播，達到了60微米的距離。這是首次在高質量有機-無機雜化鈣鈦礦微腔中實現這一現象，突破了以往在室溫下無法清晰觀察到自旋霍爾效應的局限。(2) 實驗通過在FAPbBr3鈣鈦礦微腔中利用TE-TM分裂產生的有效磁場，推動了自旋霍爾效應的自旋電流傳輸。研究表明，激子極化激元的自旋電流可以實現長距離相干傳播，且沒有觀察到線性自旋分裂。（3）研究進一步展示了基于這種效應的兩個極化激元自旋電子器件——邏輯非門和自旋極化分束器。這些器件展現出在室溫下超快運行的潛力，尤其是在皮秒時間尺度內的全光操作，為未來的超快自旋光電子器件提供了可能的技術路徑。
圖文解讀
圖1: 利用FAPbBr3鈣鈦礦微腔，光學自旋霍爾效應optical spin Hall effect，OSHE和極化激元器件的示意圖和機理。圖2: 在動量空間中，光學自旋霍爾效應OSHE的觀測。圖3: 實空間中，激子-極化子自旋流及其與理論比較。圖5: 利用光學自旋霍爾輸運，實現極化激元自旋電子器件。
總結展望
作者清晰地觀察到了在室溫下的有機-無機FAPbBr3鈣鈦礦平面微腔中的相干自旋霍爾效應（OSHE），其標志性特征是具有不同自旋的極化子之間的空間分離。作者的工作展示了生成和控制激子-極化子自旋電流的能力，例如，極化子自旋傳播方向可以通過改變入射光的偏振來改變。作者表明，激子-極化子自旋在傳播過程中保持了長程的空間相干性，基于這一點，作者展示了一個極化子自旋邏輯非門和一個非平凡的自旋極化分束器。作者對室溫相干自旋霍爾效應的觀察及其在極化子自旋電子設備中的應用，彰顯了室溫自旋計算和信息處理的非凡前景。 Shi, Y., Gan, Y., Chen, Y. et al. Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02028-2
