隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，基于自旋霍爾效應(yīng)或谷霍爾效應(yīng)生成和控制自旋電流的技術(shù)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。自旋電子學(xué)通過操控電子的自旋自由度而非電荷，實現(xiàn)低功耗、高速的電子器件。然而，在宏觀尺度上形成穩(wěn)定的自旋電流面臨許多挑戰(zhàn)，尤其是在室溫下，由于電子散射引起的快速去相干和自旋翻轉(zhuǎn)問題，使得自旋電流的長距離傳輸變得異常困難。此外，熱擴散加劇了自旋弛豫，進一步限制了自旋電子器件的實用化。

激子極化激元是半導(dǎo)體微腔中激子與腔光子相互作用產(chǎn)生的量子疊加態(tài)，被認(rèn)為是室溫下實現(xiàn)長距離自旋傳輸?shù)臐撛谳d體。激子極化激元不僅可以從光與激子的耦合中獲得自旋自由度，還因其中性粒子特性能夠有效抑制由庫侖相互作用引起的電荷散射，從而實現(xiàn)更長的相干長度。然而，傳統(tǒng)的GaAs基半導(dǎo)體微腔在室溫下難以維持穩(wěn)定的極化激元超流。此外，鈣鈦礦微腔雖然能夠在室溫下實現(xiàn)凝聚態(tài)，但強線性自旋分裂引發(fā)了快速的自旋進動，抑制了純自旋電流的傳輸。

為了解決這些問題，清華大學(xué)熊啟華教授、北京量子信息科學(xué)研究院Sanjib Ghosh以及浙江西湖高等研究院Alexey Kavokin團隊攜手探索了有機-無機雜化鈣鈦礦材料，尤其是甲脒鉛溴化物（FAPbBr₃）微腔。該材料具有各向同性的立方晶體結(jié)構(gòu)，在k=0時的線性自旋分裂為零，能夠有效避免快速的自旋進動。通過這種材料，研究人員成功觀測到了室溫下的光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)（OSHE），并進一步實現(xiàn)了長達60微米的自旋電流傳輸。以上成果在Nature Materials期刊上發(fā)表了題為“Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature”的最新論文。

本研究通過設(shè)計和使用高質(zhì)量的FAPbBr₃微腔，解決了室溫下激子極化激元自旋電流傳輸受限的問題。研究不僅驗證了極化激元在室溫下的長距離相干傳輸，還開發(fā)了基于自旋霍爾效應(yīng)的自旋光電子器件，包括非門和自旋極化分束器。這一發(fā)現(xiàn)為未來超快自旋電子學(xué)器件的研發(fā)提供了全新的路徑。

1. 實驗首次在甲脒鉛溴化物鈣鈦礦微腔中觀察到室溫下激子極化激元的光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)，并且自旋電流的傳播長度達到了60微米，提供了激子極化激元流及其自旋電流長距離相干性的直接證據(jù)。

2. 實驗通過設(shè)計高質(zhì)量的有機-無機混合鈣鈦礦微腔，克服了傳統(tǒng)無機鈣鈦礦微腔中強線性自旋分裂的問題，成功抑制了快速的自旋進動，實現(xiàn)在室溫下的穩(wěn)定自旋電流傳輸。

3. 實驗進一步通過自旋霍爾效應(yīng)，開發(fā)了兩個創(chuàng)新的自旋光電子器件，即基于極化激元自旋反轉(zhuǎn)的非門和自旋極化分束器，證明了極化激元自旋器件在超快光學(xué)操作下的可行性，展現(xiàn)了未來超快自旋光電子器件的潛力。

圖1: 利用FAPbBr3鈣鈦礦微腔，光學(xué)自旋霍爾效應(yīng)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(xué)自旋霍爾效應(yīng)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4: 激子-極化激元長程相干的表征。

圖5: 利用光學(xué)自旋霍爾輸運，實現(xiàn)極化激元自旋電子器件。

本研究首次觀察到有機-無機混合鹵化物FAPbBr3鈣鈦礦平面微腔中在室溫下的相干自旋霍爾效應(yīng)（OSHE），并成功實現(xiàn)了極化子自旋電流的生成與調(diào)控。研究表明，極化子的自旋傳播方向可以通過改變?nèi)肷涔獾臉O化狀態(tài)來靈活調(diào)控，從而為自旋電子學(xué)器件的應(yīng)用提供了新的方向。通過展示極化子自旋在傳播過程中的長程空間相干性，本文不僅實現(xiàn)了極化子自旋邏輯非門（NOT gate）和非平凡的自旋極化分束器，還為室溫自旋基計算與信息處理開辟了廣闊前景。

這一發(fā)現(xiàn)不僅增強了對極化子動力學(xué)的理解，也為開發(fā)高效的自旋電子器件奠定了基礎(chǔ)，預(yù)示著未來在自旋電子學(xué)、量子計算及光電子學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用潛力。這些研究結(jié)果強調(diào)了在室溫條件下利用極化子自旋的前景，為探索新型自旋基器件提供了重要的理論依據(jù)和實驗支持。

Shi, Y., Gan, Y., Chen, Y. et al. Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature. Nat. Mater. (2024)