近日，復(fù)旦大學(xué)未來信息創(chuàng)新學(xué)院王俊課題組利用各向異性二維鈣鈦礦微腔，實現(xiàn)了室溫下激子極化激元（exciton polariton）的Rashba–Dresselhaus自旋-軌道耦合，并展示了其自旋霍爾效應(yīng)。研究從“幾何相位”與“規(guī)范場”的新視角揭示了自旋-軌道耦合的起源：Polariton在微腔內(nèi)傳播的偏振演化可在龐加萊球上積累幾何相位，生成等效規(guī)范場，驅(qū)動Polariton自旋在動量空間分裂。相關(guān)成果以“Polariton Spin Separation and Propagation by Rashba–Dresselhaus Spin–Orbit Coupling in an Anisotropic Two-Dimensional Perovskite Microcavity”為題發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Nano Letters》上，并入選封面文章。

自旋-軌道耦合是關(guān)聯(lián)粒子自旋與軌道運動的基本相互作用，主導(dǎo)自旋的分離與傳輸?shù)痊F(xiàn)象。其中，Rashba–Dresselhaus型自旋-軌道耦合尤為重要，可在動量空間引起自旋解簡并。近年來，Rashba–Dresselhaus自旋-軌道耦合的研究已拓展至光子體系和光–物質(zhì)強耦合體系。然而，這些系統(tǒng)中自旋-軌道耦合效應(yīng)的起源與腔內(nèi)光子偏振演化之間的內(nèi)在聯(lián)系，仍未能給出直觀的物理圖像與系統(tǒng)性的理論闡釋。

圖1. 2D各向異性鈣鈦礦微腔及自旋-軌道耦合機理圖

基于該問題，團隊構(gòu)建了二維鈣鈦礦(PEA)?PbI?微腔結(jié)構(gòu)，通過角分辨熒光光譜觀測到動量空間的色散分離，確認(rèn)了自旋-軌道耦合效應(yīng)。理論分析表明：在龐加萊球上，兩次“等效半波片”傳播與兩次鏡面反射在偏振空間構(gòu)成閉合回路，累積出非零幾何相位，進(jìn)而生成等效規(guī)范場，使偏振相關(guān)的色散關(guān)系在動量空間出現(xiàn)非簡并劈裂。

圖2. Rashba-Dresselhaus自旋-軌道耦合實驗與理論計算

在此基礎(chǔ)上，團隊利用該自旋-軌道耦合所誘導(dǎo)的自旋非簡并行為，在共振泵浦下選擇性激發(fā)極化激元，在實空間圓偏振成像中清晰地觀測到與自旋相關(guān)的分離與傳播行為，即自旋霍爾效應(yīng)。該研究不但解釋了各向異性微腔中 Rashba–Dresselhaus自旋-軌道耦合的起源，還實現(xiàn)室溫極化激元自旋的分離與傳播，為片上光子自旋調(diào)控提供了新思路，有望推動自旋信息處理、自旋光子器件的發(fā)展。

復(fù)旦大學(xué)王俊副教授為論文的通訊作者，博士研究生陳澤磊、王小宇為共同第一作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、上海市科委研究項目的資助。