成功观测！清华大学，再发Nature Materials！

随着自旋电子学的发展，基于自旋霍尔效应或谷霍尔效应生成和控制自旋电流的技术引起了科学界的广泛关注。自旋电子学通过操控电子的自旋自由度而非电荷，实现低功耗、高速的电子器件。然而，在宏观尺度上形成稳定的自旋电流面临许多挑战，尤其是在室温下，由于电子散射引起的快速去相干和自旋翻转问题，使得自旋电流的长距离传输变得异常困难。此外，热扩散加剧了自旋弛豫，进一步限制了自旋电子器件的实用化。

激子极化激元是半导体微腔中激子与腔光子相互作用产生的量子叠加态，被认为是室温下实现长距离自旋传输的潜在载体。激子极化激元不仅可以从光与激子的耦合中获得自旋自由度，还因其中性粒子特性能够有效抑制由库仑相互作用引起的电荷散射，从而实现更长的相干长度。然而，传统的GaAs基半导体微腔在室温下难以维持稳定的极化激元超流。此外，钙钛矿微腔虽然能够在室温下实现凝聚态，但强线性自旋分裂引发了快速的自旋进动，抑制了纯自旋电流的传输。

为了解决这些问题，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团队携手探索了有机-无机杂化钙钛矿材料，尤其是甲脒铅溴化物（FAPbBr₃）微腔。该材料具有各向同性的立方晶体结构，在k=0时的线性自旋分裂为零，能够有效避免快速的自旋进动。通过这种材料，研究人员成功观测到了室温下的光学自旋霍尔效应（OSHE），并进一步实现了长达60微米的自旋电流传输。以上成果在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。

本研究通过设计和使用高质量的FAPbBr₃微腔，解决了室温下激子极化激元自旋电流传输受限的问题。研究不仅验证了极化激元在室温下的长距离相干传输，还开发了基于自旋霍尔效应的自旋光电子器件，包括非门和自旋极化分束器。这一发现为未来超快自旋电子学器件的研发提供了全新的路径。

1. 实验首次在甲脒铅溴化物钙钛矿微腔中观察到室温下激子极化激元的光学自旋霍尔效应，并且自旋电流的传播长度达到了60微米，提供了激子极化激元流及其自旋电流长距离相干性的直接证据。

2. 实验通过设计高质量的有机-无机混合钙钛矿微腔，克服了传统无机钙钛矿微腔中强线性自旋分裂的问题，成功抑制了快速的自旋进动，实现在室温下的稳定自旋电流传输。

3. 实验进一步通过自旋霍尔效应，开发了两个创新的自旋光电子器件，即基于极化激元自旋反转的非门和自旋极化分束器，证明了极化激元自旋器件在超快光学操作下的可行性，展现了未来超快自旋光电子器件的潜力。

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。

本研究首次观察到有机-无机混合卤化物FAPbBr3钙钛矿平面微腔中在室温下的相干自旋霍尔效应（OSHE），并成功实现了极化子自旋电流的生成与调控。研究表明，极化子的自旋传播方向可以通过改变入射光的极化状态来灵活调控，从而为自旋电子学器件的应用提供了新的方向。通过展示极化子自旋在传播过程中的长程空间相干性，本文不仅实现了极化子自旋逻辑非门（NOT gate）和非平凡的自旋极化分束器，还为室温自旋基计算与信息处理开辟了广阔前景。

这一发现不仅增强了对极化子动力学的理解，也为开发高效的自旋电子器件奠定了基础，预示着未来在自旋电子学、量子计算及光电子学等领域的广泛应用潜力。这些研究结果强调了在室温条件下利用极化子自旋的前景，为探索新型自旋基器件提供了重要的理论依据和实验支持。

Shi, Y., Gan, Y., Chen, Y. et al. Coherent optical spin Hall transport for polaritonics at room temperature. Nat. Mater. (2024)