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。
液晶填充的鈣鈦礦微腔的特寫視圖
來源：M. Fadly
極化子的自旋過濾器
南洋理工大學團隊的分析還表明，這些激子極化子會表現出自旋霍爾效應。當極化子穿過CsPbBr3層時，自旋軌道耦合使它們向左或向右偏移，取決於它們的自旋（見下圖，左側）。
左：不同自旋的激子極化子在穿過 CsPbBr 3時轉向不同
右：基於角分辨光譜的實驗結果
來源：Nature Photonics
為了實驗觀察這一效應，團隊採用了一種稱為角分辨光譜學的技術。一些極化子以光子的形式逃逸出微腔，這些光子記住了原始激子-極化子的自旋方向。通過仔細測量這些逃逸光的偏振，研究人員可以在微腔中不同位置重構激子-極化子的自旋。
他們的實驗結果（見上圖，右側）精確匹配自旋霍爾效應。「我們看到兩股攜帶相反自旋的極化子射流，」南洋理工大學的博士後研究員、論文的第一作者Jie Liang解釋說， 「這些射流明顯分開，每個射流的旋轉純度約為 90%，比之前見過的任何其他極化子實驗都要好得多。」
「我們的研究結果提供了一種在室溫下產生和操縱近純極化子自旋的可行方法，」南洋理工大學助理教授Su補充道。「這一發現為開發所謂的自旋光電器件提供了令人興奮的機會，該器件使用電流來操縱光的偏振，反之亦然。」
接下來，該團隊正在探索如何使用這種激子極化系統來創建基本的自旋光電器件，例如光學自旋濾波器。他們還在探索如何微調液晶的特性，以便賦予激子極化子以前未發現的新特性和行為。
以下是該項研究的詳細數據圖，一起來看看吧~
填充有液晶分子的鈣鈦礦微腔
來源：Nature Photonics
在Rashba-Dresselhaus自旋軌道耦合體系中的激子-極化子。
來源：Nature Photonics
在Rashba-Dresselhaus體系中觀察到極化子自旋霍爾效應
來源：Nature Photonics
電可調控的極化子自旋霍爾效應
來源：Nature Photonics
參考文獻：
Polariton spin Hall effect in a Rashba-Dresselhaus regime at room temperature, Nature Photonics (2024).
