操纵光在介质中传播时的偏振是片上光子学最困难的挑战之一。但它可以实现有趣的光子功能，如手性传播、拓扑通道传输和偏振依赖门。光子晶体的使用要求很高，因为需要控制极小的特征，其精度远远小于光的波长。光子芯片中常用的硅和其他半导体波导也不合适，因为它们的工作模式是单一线性偏振模式，不易改变。
今日，清华大学熊启华教授、西湖大学Alexey Kavokin、北京量子信息研究院Sanjib Ghosh等人报道了钙钛矿基薄材料和具有定制光学自旋轨道效应的微腔相结合，可在室温下和长距离传播下实现片上光学偏振功能。相关研究成果以题为“Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature”发表在最新一期《Nature Materials》上。
钙钛矿中束缚电子-空穴对或激子的强结合能确保了强光-物质耦合，导致激子-极化子的存在。同时，它们的高结晶质量使得极化激元能够相干传播超过数十微米。他们报告了相反圆偏振的极化子沿不同方向的传播，这种现象称为自旋轨道耦合。这些在室温下的观察结果改变了光子学中基于偏振的功能的发展。
详细而言，他们报告了在甲脒溴化铅钙钛矿微腔中观察到的激子极化子的室温光学自旋霍尔效应，自旋电流流动超过 60 μm。还提供了极化子流及其携带的自旋流中长程相干性的直接证据。利用极化子的自旋霍尔传输，研究人员进一步展示了两个极化子装置，即非门和自旋极化分束器，推进了钙钛矿微腔中室温极化子的研究前沿。
【原理图】
作者首先介绍了FAPbBr3钙钛矿微腔中OSHE的示意图和机制。微腔结构由顶部和底部分布式布拉格反射器(DBR)以及其间的单晶钙钛矿层组成。DBR和钙钛矿层的组合允许形成激子极化子，这是观察OSHE的关键元素。
图1a展示了由线性极化谐振泵产生的弹性散射极化子环。图中还描绘了动量空间中由于TE-TM分裂引起的有效磁场的分布，展示了它如何作用于激子极化子以产生自旋电流。研究人员使用角度分辨反射率测量了TE-TM分裂（图1b），发现它可以用波矢相关磁场Ω(𝑘)很好地描述。作者还提出了两种基于OSHE的功能设备。第一个是自旋电子非门（图1c），其中极化子在传播时其自旋发生反转。第二个是自旋极化分束器（图1d），当极化子遇到微腔中的势垒时，该分束器将入射的线性偏振光束分离成两束带有相反自旋的光束。
图1.使用FAPbBr3钙钛矿微腔的OSHE和极化子器件的原理图和机理
【在动量空间中观测 OSHE】
研究人员使用线性偏振激光的共振激发来观察动量空间中自旋极化极化子的分布。结果如图2a-b所示，显示了表征圆极化程度的斯托克斯参数𝑆𝑧。实验结果揭示了自旋极化极化子的环状分布，相反的自旋极化出现在动量空间的交替象限中。这种自旋模式是TE-TM分裂引起的自旋轨道耦合的直接结果，这会导致有效磁场Ω(𝑘)产生周期性的符号变化。OSHE的理论模拟（图2c-d）与实验结果非常吻合，表明观察到的动量空间自旋分离可归因于OSHE。观察到的自旋模式也证实了FAPbBr3钙钛矿微腔中自旋电流的形成。
图 2. 动量空间中 OSHE 的观察
【实空间中的激子-极化子自旋电流及其与理论的比较】
作者发现实空间中激子-极化子自旋电流的空间分离。当极化子穿过微腔传播时，它们的自旋会沿有效磁场偏转，从而产生独特的自旋极化极化子空间模式，如图3a-b所示。结果表明，极化子传播近60μm，同时保留了其自旋信息，这是室温自旋传输的一项重大成就。具有相反自旋的极化子的空间分离是OSHE的直接表现，在实空间中可以看到清晰的圆偏振模式。实验数据再次得到理论模拟的支持，如图3c-d所示。模拟是使用驱动耗散薛定谔方程进行的，该方程考虑了TE-TM分裂和谐振光泵。实验结果与理论结果的高度一致性进一步证实了室温下相干OSHE。
图 3. 真实空间中的激子-极化子自旋电流以及与理论的比较
【激子极化子长程相干性的表征】
激子极化子自旋电流的相干性对于自旋电子学和信息处理的实际应用至关重要。为了验证极化子自旋传输的相干性，研究人员使用迈克尔逊干涉仪进行了干涉测量。图 4a 显示了极化子传播的实空间图像，而图 4b 则显示了迈克尔逊干涉仪产生的干涉条纹。清晰的干涉条纹表明极化子在长达 60 μm 的距离内保持相干性。研究人员还通过选择性检测圆偏振光致发光 (PL) 来测量自旋极化极化的相干性。图 4d 所示的自旋极化 PL 的干涉条纹证实了传播过程中自旋电流的相干性。这些结果提供了直接证据，表明极化子可以在宏观距离上传播，同时保留其相干性和自旋信息，这是基于自旋的计算设备的关键要求。
图 4. 激子-极化子长程相干性的表征
【极化子自旋电子器件】
最后，作者展示了OSHE在实现极化子自旋电子器件中的实际应用。研究人员成功设计并测试了两种器件：自旋电子非门和自旋极化分束器。自旋电子非门的工作原理如图5a-b所示。在该器件中，传入的自旋状态在通过微腔传播后发生反转，这是由定向自旋霍尔传输实现的。理论模拟（图5c-d）与实验结果一致，证实了自旋反转是由于极化子自旋状态在有效磁场的影响下周期性振荡造成的。自旋极化分束器如图5e所示，其工作原理是将传入的线性偏振光束分离成两个具有相反自旋的出射光束。这是通过在微腔中引入势垒来实现的，该势垒会分裂极化子光束。实验和理论结果（图5f）表明，出射光束具有相反的圆偏振，证实了分束器的有效性。
图 5. 利用光学自旋霍尔传输实现极化子自旋电子器件
【总结】
作者通过展示FAPbBr3钙钛矿微腔中室温下的相干OSHE，在极化子学和自旋电子学领域取得了重大进展。研究人员能够观察到自旋极化激子极化子的空间分离，测量其传播的长程相干性，并利用这些特性设计功能性极化子自旋电子学器件。自旋电子学非门和自旋极化分束器的成功演示为开发在室温下运行的超快自旋计算设备开辟了新的可能性。这些发现还凸显了钙钛矿微腔在未来光电和自旋电子学应用中的潜力。观察到的室温OSHE和展示的极化子设备是实现实用的自旋计算和信息处理系统的重要步骤。在室温下操纵和控制极化子系统中的自旋电流的能力为新一代超快、节能的自旋电子学设备铺平了道路。
