【研究背景】
激子极化激元是一种重要的量子状态，因其在自旋电子学、量子计算等领域的潜在应用而受到广泛关注。激子极化激元是激子与腔光子之间的量子叠加状态，结合了激子的局域性和光子的长程相干性。因此，激子极化激元在实现室温自旋电流传输方面展现出独特优势，能够用于开发新型自旋光电子器件。与传统的半导体材料相比，基于激子极化激元的材料具有较低的电荷散射率和较长的相干长度，使得其在室温下的自旋传输能力得到了极大的提升。然而，强烈的热波动和线性自旋分裂等问题依然是实现稳定自旋电流流动的重大挑战。
为了解决这一问题，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团队携手在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature”的最新论文。他们设计并制备了高质量的甲脒铅溴化物（FAPbBr3）钙钛矿微腔，成功实现了激子极化激元的室温光学自旋霍尔效应（OSHE）。利用这一现象，研究团队观测到了自旋电流在微腔中沿不同方向传播超过60微米，展现了长距离的相干性。这一发现不仅为理解激子极化激元的物理机制提供了重要证据，还为实现实际应用中的自旋电子器件奠定了基础。
通过利用光学自旋霍尔效应，该团队成功开发了两种极化激元器件，即非门和自旋极化分束器。这些器件能够在超快的皮秒时间尺度上操作，具有较高的速度和效率，展示了极大的应用潜力。这些研究结果为推动室温极化激元在自旋电子学领域的应用打开了新的前景，标志着自旋光电子学的发展迈出了重要的一步。
【研究亮点】
1) 实验首次在室温下观察到激子极化激元的光学自旋霍尔效应（OSHE），在甲脒铅溴化物钙钛矿微腔中实现了自旋电流的长距离传播，达到了60微米的距离。这是首次在高质量有机-无机杂化钙钛矿微腔中实现这一现象，突破了以往在室温下无法清晰观察到自旋霍尔效应的局限。
2) 实验通过在FAPbBr3钙钛矿微腔中利用TE-TM分裂产生的有效磁场，推动了自旋霍尔效应的自旋电流传输。研究表明，激子极化激元的自旋电流可以实现长距离相干传播，且没有观察到线性自旋分裂。
3）研究进一步展示了基于这种效应的两个极化激元自旋电子器件——非门和自旋极化分束器。这些器件展现出在室温下超快运行的潜力，尤其是在皮秒时间尺度内的全光操作，为未来的超快自旋光电子器件提供了可能的技术路径。
【图文解读】
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。
【总结展望】
作者清晰地观察到了在室温下的有机-无机FAPbBr3钙钛矿平面微腔中的相干自旋霍尔效应（OSHE），其标志性特征是具有不同自旋的极化子之间的空间分离。作者的工作展示了生成和控制激子-极化子自旋电流的能力，例如，极化子自旋传播方向可以通过改变入射光的偏振来改变。作者表明，激子-极化子自旋在传播过程中保持了长程的空间相干性，基于这一点，作者展示了一个极化子自旋逻辑非门和一个非平凡的自旋极化分束器。作者对室温相干自旋霍尔效应的观察及其在极化子自旋电子设备中的应用，彰显了室温自旋计算和信息处理的非凡前景。
原文详情：
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
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