想象一下，一個(gè)保齡球沿著保齡球道快速滾動(dòng)，同時(shí)旋轉(zhuǎn)著前進(jìn)。由于其旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)動(dòng)作的相互作用，球并不是沿著直線移動(dòng)，而是向一側(cè)彎曲，最終落入溝槽。如果我們以相反的旋轉(zhuǎn)投擲球，它會(huì)向另一個(gè)方向彎曲，落入對(duì)面的溝槽。

　　在某些電導(dǎo)材料中，電子的行為也類似。當(dāng)它們流經(jīng)材料時(shí)，一些電子會(huì)偏向左側(cè)，而另一些則偏向右側(cè)，這取決于它們內(nèi)部的自旋。因此，不同量的自旋角動(dòng)量會(huì)沉積在垂直于電流的相反兩側(cè)，這一現(xiàn)象被稱為“自旋霍爾效應(yīng)”(以19世紀(jì)物理學(xué)家埃德溫·霍爾發(fā)現(xiàn)的相關(guān)效應(yīng)命名)。

　　然而，電子并不是唯一具有自旋的微觀粒子。使用其他種類的粒子，應(yīng)該可以觀察到自旋霍爾效應(yīng)的新版本。

　　NTU的一支物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近觀察到了帶有激子極化子的自旋霍爾效應(yīng)——光與物質(zhì)的混合粒子。

　　該團(tuán)隊(duì)由SPMS的助理教授Rui Su和副教授Timothy CH. Liew領(lǐng)導(dǎo)，與墨西哥國立自治大學(xué)的Yuri G. Rubo教授合作，在2024年2月的《自然光子學(xué)》雜志上報(bào)告了他們的進(jìn)展。

　　通過使用極化子自旋霍爾效應(yīng)，研究人員能夠產(chǎn)生具有創(chuàng)紀(jì)錄自旋純度的極化子。將來，這項(xiàng)技術(shù)可能允許比現(xiàn)有設(shè)備如液晶顯示器更高效、更有效地控制光場。

　　光與物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)粒子

　　在我們能理解極化子自旋霍爾效應(yīng)之前，先思考一個(gè)普通的光束，它是一種電磁波。波的一個(gè)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(cè)面板)，偏振指向固定的方向，垂直于光束。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(zhuǎn)，螺旋的順時(shí)針或逆時(shí)針方向表現(xiàn)為自旋。

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

　　在他們的研究中，南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用了激子極化子，這是一種極化子，其物質(zhì)成分由半導(dǎo)體中的正電荷和負(fù)電荷組成。這些激子極化子是在一個(gè)微小的光學(xué)腔(或“微腔”)中產(chǎn)生的，該光學(xué)腔包含所謂的鹵化鉛鈣鈦礦材料 CsPbBr3，這是一種具有強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用的半導(dǎo)體(見下圖)。

　　合成自旋軌道耦合

　　為了發(fā)生自旋霍爾效應(yīng)，不僅粒子必須具有自旋，其運(yùn)動(dòng)還必須受到自旋的影響，就像文章開頭描述的旋轉(zhuǎn)保齡球。

　　“讓自旋影響運(yùn)動(dòng)的最簡單方法是有一個(gè)磁場，但那是不切實(shí)際的。我們希望這些極化子能夠在未來有技術(shù)應(yīng)用，而強(qiáng)磁體對(duì)大多數(shù)設(shè)備來說是不可行的，”南洋理工大學(xué)助理教授Rui Su指出。

　　為了解決這個(gè)問題，Su與極化子理論專家、副教授Timothy Liew合作。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)具有強(qiáng)“自旋-軌道耦合”的激子極化子系統(tǒng)，這是一種自旋和運(yùn)動(dòng)相互影響的現(xiàn)象，不需要磁場。

　　他們的解決方案是在微腔(見上圖，右側(cè))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(zhì)，導(dǎo)致平行或垂直于圓柱體移動(dòng)的光速度不同。圓柱形分子的取向可以通過電壓主動(dòng)調(diào)節(jié)，因此在微腔內(nèi)的有效速度是可控的。通過理論計(jì)算，研究人員預(yù)測(cè)，當(dāng)激子極化子通過鈣鈦礦移動(dòng)時(shí)，相鄰液晶的影響產(chǎn)生由外部電壓控制的合成自旋-軌道耦合。

　　極化子的自旋過濾器

　　南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)的分析還表明，這些激子極化子會(huì)表現(xiàn)出自旋霍爾效應(yīng)。當(dāng)極化子穿過CsPbBr3層時(shí)，自旋軌道耦合使它們向左或向右偏移，取決于它們的自旋(見下圖，左側(cè))。

　　左：不同自旋的激子極化子在穿過 CsPbBr 3時(shí)轉(zhuǎn)向不同

　　右：基于角分辨光譜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　為了實(shí)驗(yàn)觀察這一效應(yīng)，團(tuán)隊(duì)采用了一種稱為角分辨光譜學(xué)的技術(shù)。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(xì)測(cè)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(gòu)激子-極化子的自旋。

　　他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見上圖，右側(cè))精確匹配自旋霍爾效應(yīng)。“我們看到兩股攜帶相反自旋的極化子射流，”南洋理工大學(xué)的博士后研究員、論文的第一作者Jie Liang解釋說， “這些射流明顯分開，每個(gè)射流的旋轉(zhuǎn)純度約為 90%，比之前見過的任何其他極化子實(shí)驗(yàn)都要好得多。”

　　“我們的研究結(jié)果提供了一種在室溫下產(chǎn)生和操縱近純極化子自旋的可行方法，”南洋理工大學(xué)助理教授Su補(bǔ)充道。“這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)所謂的自旋光電器件提供了令人興奮的機(jī)會(huì)，該器件使用電流來操縱光的偏振，反之亦然。”

　　接下來，該團(tuán)隊(duì)正在探索如何使用這種激子極化系統(tǒng)來創(chuàng)建基本的自旋光電器件，例如光學(xué)自旋濾波器。他們還在探索如何微調(diào)液晶的特性，以便賦予激子極化子以前未發(fā)現(xiàn)的新特性和行為。

　　填充有液晶分子的鈣鈦礦微腔

在Rashba-Dresselhaus自旋軌道耦合體系中的激子-極化子。

在Rashba-Dresselhaus體系中觀察到極化子自旋霍爾效應(yīng)

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