NTU 發表 Nature Photonics！極化子自旋霍爾效應

2024年03月22日 • 855次閱讀

NTU物理與數學科學學院（School of Physical and Mathematical Sciences，簡稱SPMS）的科研學者們開展了一項革命性的研究，成果發表在2024年2月的 Nature Photonics 雜誌上。他們的研究集中在極化子自旋霍爾效應——一種在特殊環境下由光和物質混合形成的量子粒子所展現的現象。

想像一下，一個保齡球沿著保齡球道快速滾動，同時旋轉著前進。由於其旋轉與前進動作的相互作用，球並不是沿著直線移動，而是向一側彎曲，最終落入溝槽。如果我們以相反的旋轉投擲球，它會向另一個方向彎曲，落入對面的溝槽。

在某些電導材料中，電子的行為也類似。當它們流經材料時，一些電子會偏向左側，而另一些則偏向右側，這取決於它們內部的自旋。因此，不同量的自旋角動量會沉積在垂直於電流的相反兩側，這一現象被稱為「自旋霍爾效應」（以19世紀物理學家埃德溫·霍爾發現的相關效應命名）。

然而，電子並不是唯一具有自旋的微觀粒子。使用其他種類的粒子，應該可以觀察到自旋霍爾效應的新版本。

（從左到右）Rui Su, Dr Jie Liang and Mr Feng Jin.

來源：M. Fadly.

NTU的一支物理學家團隊最近觀察到了帶有激子極化子的自旋霍爾效應——光與物質的混合粒子。該團隊由SPMS的助理教授Rui Su和副教授Timothy CH. Liew領導，與墨西哥國立自治大學的Yuri G. Rubo教授合作，在2024年2月的《自然光子學》雜誌上報告了他們的進展。

通過使用極化子自旋霍爾效應，研究人員能夠產生具有創紀錄自旋純度的極化子。將來，這項技術可能允許比現有設備如液晶顯示器更高效、更有效地控制光場。

研究團隊調整偏振子實驗的光學裝置

（從左到右）Rui Su, Dr Jie Liang and Mr Feng Jin.

來源：M. Fadly.

光與物質的旋轉粒子

在我們能理解極化子自旋霍爾效應之前，先思考一個普通的光束，它是一種電磁波。波的一個屬性叫做偏振，描述了其電場的方向。在「線偏振」光中（見下圖，左側面板），偏振指向固定的方向，垂直於光束。在「圓偏振」光中（見下圖，中間與右邊面板），偏振像螺旋一樣旋轉，螺旋的順時針或逆時針方向表現為自旋。

「線偏振」光、「右旋圓偏振」光和「左旋圓偏振」光示意圖

來源：J.Liang

雖然這種基於偏振的自旋通常被視為波的屬性，但光子（光的單個量子粒子）也具有這種屬性。另一方面，極化子是光和物質混合的量子粒子。這些混合粒子僅出現在光與材料強烈相互作用的特殊環境中。特別是，極化子可以攜帶基於光子自旋的自旋。

在他們的研究中，南洋理工大學團隊使用了激子極化子，這是一種極化子，其物質成分由半導體中的正電荷和負電荷組成。這些激子極化子是在一個微小的光學腔（或「微腔」）中產生的，該光學腔包含所謂的鹵化鉛鈣鈦礦材料 CsPbBr3，這是一種具有強光與物質相互作用的半導體（見下圖）。

CsPbBr 3樣品的照片和極化子自旋霍爾效應的實驗裝置

來源：Nature photonics

合成自旋軌道耦合

為了發生自旋霍爾效應，不僅粒子必須具有自旋，其運動還必須受到自旋的影響，就像文章開頭描述的旋轉保齡球。

「讓自旋影響運動的最簡單方法是有一個磁場，但那是不切實際的。我們希望這些極化子能夠在未來有技術應用，而強磁體對大多數設備來說是不可行的，」南洋理工大學助理教授Rui Su指出。

為了解決這個問題，Su與極化子理論專家、副教授Timothy Liew合作。他們設計了一個具有強「自旋-軌道耦合」的激子極化子系統，這是一種自旋和運動相互影響的現象，不需要磁場。

他們的解決方案是在微腔（見上圖，右側）中添加一層液晶層。液晶由圓柱形分子組成，具有雙折射性質，導致平行或垂直於圓柱體移動的光速度不同。圓柱形分子的取向可以通過電壓主動調節，因此在微腔內的有效速度是可控的。通過理論計算，研究人員預測，當激子極化子通過鈣鈦礦移動時，相鄰液晶的影響產生由外部電壓控制的合成自旋-軌道耦合。