NTU物理与数学科学学院（School of Physical and Mathematical Sciences，简称SPMS）的科研学者们开展了一项革命性的研究，成果发表在2024年2月的 Nature Photonics 杂志上。他们的研究集中在极化子自旋霍尔效应——一种在特殊环境下由光和物质混合形成的量子粒子所展现的现象。
想像一下，一个保龄球沿着保龄球道快速滚动，同时旋转着前进。由于其旋转与前进动作的相互作用，球并不是沿着直线移动，而是向一侧弯曲，最终落入沟槽。如果我们以相反的旋转投掷球，它会向另一个方向弯曲，落入对面的沟槽。
在某些电导材料中，电子的行为也类似。当它们流经材料时，一些电子会偏向左侧，而另一些则偏向右侧，这取决于它们内部的自旋。因此，不同量的自旋角动量会沉积在垂直于电流的相反两侧，这一现象被称为“自旋霍尔效应”（以19世纪物理学家埃德温·霍尔发现的相关效应命名）。
然而，电子并不是唯一具有自旋的微观粒子。使用其他种类的粒子，应该可以观察到自旋霍尔效应的新版本。
（从左到右）Rui Su, Dr Jie Liang and Mr Feng Jin.
来源：M. Fadly.
NTU的一支物理学家团队最近观察到了带有激子极化子的自旋霍尔效应——光与物质的混合粒子。该团队由SPMS的助理教授Rui Su和副教授Timothy CH. Liew领导，与墨西哥国立自治大学的Yuri G. Rubo教授合作，在2024年2月的《自然光子学》杂志上报告了他们的进展。
通过使用极化子自旋霍尔效应，研究人员能够产生具有创纪录自旋纯度的极化子。将来，这项技术可能允许比现有设备如液晶显示器更高效、更有效地控制光场。
研究团队调整偏振子实验的光学装置
（从左到右）Rui Su, Dr Jie Liang and Mr Feng Jin.
来源：M. Fadly.
光与物质的旋转粒子
在我们能理解极化子自旋霍尔效应之前，先思考一个普通的光束，它是一种电磁波。波的一个属性叫做偏振，描述了其电场的方向。在“线偏振”光中（见下图，左侧面板），偏振指向固定的方向，垂直于光束。在“圆偏振”光中（见下图，中间与右边面板），偏振像螺旋一样旋转，螺旋的顺时针或逆时针方向表现为自旋。
“线偏振”光、“右旋圆偏振”光和“左旋圆偏振”光示意图
来源：J.Liang
虽然这种基于偏振的自旋通常被视为波的属性，但光子（光的单个量子粒子）也具有这种属性。另一方面，极化子是光和物质混合的量子粒子。这些混合粒子仅出现在光与材料强烈相互作用的特殊环境中。特别是，极化子可以携带基于光子自旋的自旋。
在他们的研究中，南洋理工大学团队使用了激子极化子，这是一种极化子，其物质成分由半导体中的正电荷和负电荷组成。这些激子极化子是在一个微小的光学腔（或“微腔”）中产生的，该光学腔包含所谓的卤化铅钙钛矿材料 CsPbBr3，这是一种具有强光与物质相互作用的半导体（见下图）。
CsPbBr 3样品的照片和极化子自旋霍尔效应的实验装置
来源：Nature photonics
合成自旋轨道耦合
为了发生自旋霍尔效应，不仅粒子必须具有自旋，其运动还必须受到自旋的影响，就像文章开头描述的旋转保龄球。
“让自旋影响运动的最简单方法是有一个磁场，但那是不切实际的。我们希望这些极化子能够在未来有技术应用，而强磁体对大多数设备来说是不可行的，”南洋理工大学助理教授Rui Su指出。
为了解决这个问题，Su与极化子理论专家、副教授Timothy Liew合作。他们设计了一个具有强“自旋-轨道耦合”的激子极化子系统，这是一种自旋和运动相互影响的现象，不需要磁场。
他们的解决方案是在微腔（见上图，右侧）中添加一层液晶层。液晶由圆柱形分子组成，具有双折射性质，导致平行或垂直于圆柱体移动的光速度不同。圆柱形分子的取向可以通过电压主动调节，因此在微腔内的有效速度是可控的。通过理论计算，研究人员预测，当激子极化子通过钙钛矿移动时，相邻液晶的影响产生由外部电压控制的合成自旋-轨道耦合。
液晶填充的钙钛矿微腔的特写视图
来源：M. Fadly
极化子的自旋过滤器
南洋理工大学团队的分析还表明，这些激子极化子会表现出自旋霍尔效应。当极化子穿过CsPbBr3层时，自旋轨道耦合使它们向左或向右偏移，取决于它们的自旋（见下图，左侧）。
左：不同自旋的激子极化子在穿过 CsPbBr 3时转向不同
右：基于角分辨光谱的实验结果
来源：Nature Photonics
为了实验观察这一效应，团队采用了一种称为角分辨光谱学的技术。一些极化子以光子的形式逃逸出微腔，这些光子记住了原始激子-极化子的自旋方向。通过仔细测量这些逃逸光的偏振，研究人员可以在微腔中不同位置重构激子-极化子的自旋。
他们的实验结果（见上图，右侧）精确匹配自旋霍尔效应。“我们看到两股携带相反自旋的极化子射流，”南洋理工大学的博士后研究员、论文的第一作者Jie Liang解释说， “这些射流明显分开，每个射流的旋转纯度约为 90%，比之前见过的任何其他极化子实验都要好得多。”
“我们的研究结果提供了一种在室温下产生和操纵近纯极化子自旋的可行方法，”南洋理工大学助理教授Su补充道。“这一发现为开发所谓的自旋光电器件提供了令人兴奋的机会，该器件使用电流来操纵光的偏振，反之亦然。”
接下来，该团队正在探索如何使用这种激子极化系统来创建基本的自旋光电器件，例如光学自旋滤波器。他们还在探索如何微调液晶的特性，以便赋予激子极化子以前未发现的新特性和行为。
以下是该项研究的详细数据图，一起来看看吧~
填充有液晶分子的钙钛矿微腔
来源：Nature Photonics
在Rashba-Dresselhaus自旋轨道耦合体系中的激子-极化子。
来源：Nature Photonics
在Rashba-Dresselhaus体系中观察到极化子自旋霍尔效应
来源：Nature Photonics
电可调控的极化子自旋霍尔效应
来源：Nature Photonics
参考文献：
Polariton spin Hall effect in a Rashba-Dresselhaus regime at room temperature, Nature Photonics (2024).
