Spin injection of exciton-polaritons with halide perovskites at room temperature
这项研究展示了在嵌入二维卤化物钙钛矿的单体Tamm-等离激元微腔中，激子-极化激子在室温下的自旋注入与保持，其中极快的极化激子衰减速度胜过了自旋弛豫机制，从而为手性激光器和开关的应用提供了可能。
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想象一个光不仅仅是在闪耀，而是与物质紧密共舞，以至于它们融合成为一种单一的、混合形态生物的世界。这就是量子物理学的游乐场，具体来说是一个被称为“极化激元学”（polaritonics）的领域。要理解这个故事，你首先需要认识一下主角。把激子（exciton）想象成一对充满能量的小情侣：一个电子和一个“空穴”（缺失的电子）手牵着手，在材料内部飞速穿梭。现在，想象一个光子（photon），即一个光粒子，正疾驰而过。通常情况下，它们只是彼此擦肩而过。但如果将它们困在一个超微小的镜像盒子里，它们会变得异常兴奋，以至于开始以快于逃逸的速度来回交换能量。它们合并成了一种新的混合粒子，叫做激子-极化激元（exciton-polariton）。它就像一个半光半物质的幽灵，能够像液体一样流动，甚至能形成激光。
我们为什么要关心这个？因为这些粒子携带一种被称为“自旋”（spin）的秘密代码，这基本上是它们的旋转方向，或者在光的领域中，指其偏振方向（即向左还是向右旋转）。如果我们能够控制这种自旋，我们就能制造出超高速、超高效的计算机，以及使用光而非电来处理信息的激光器。科学家们一直在问的一个重大问题是：当这些粒子被创造出来并处于运动状态时，我们能否在室温环境下保持这种自旋代码的完整性？而在室温下，环境通常过于混乱且炎热，难以进行精细的量子技巧操作。
这篇论文向回答“可以”迈出了大胆的一步。研究人员利用一种被称为卤化物钙钛矿（halide perovskite）的晶体构建了一个特殊的三明治状器件，这种晶体因其作为激子优良宿主的特性而闻名。他们将这种材料的薄膜夹在由堆叠层组成的镜面和一个薄银盖之间，创造出了一个“塔姆等离激元”（Tamm-plasmon）腔。随后，他们用激光照射它，但加入了一个转折：他们使用了圆偏振光，这就像一把带有特定旋转方向的旋转钥匙，用于注入具有特定自旋方向的激子。
团队发现，当他们用这种旋转光泵浦系统时，产生的极化激元实际上保留了这种自旋的记忆。它不是完美的复制，但它是可测量的。成功的关键在于速度。该设置中的极化激元寿命极短，仅在30到100飞秒内就会衰减（那可是0.00000000000003秒！）。由于它们消失得如此之快，它们就没有足够的时间被室温下的热量和碰撞所“搞混”，而这些因素通常会扰乱它们的自旋。这就像尝试在凹凸不平的桌面上旋转一个陀螺：如果你在颠簸还没来得及让它倒下之前就瞬间将其弄倒，它就能保持直立。
然而，论文也划定了一条清晰的界限。研究人员展示了，如果我们在激子变成极化激元之前观察它们（即“裸”激子），它们会完全失去自旋。这证明了神奇之处不仅在于材料本身，更在于粒子在腔体内部经历的那段特定的、极速的旅程。研究表明，极化激元具有越多的“类光”特性，它保持自旋的能力就越强。当粒子变得更加“类物质”（即含有更多激子成分）时，它们失去偏振的速度就会更快。作者使用了一个数学模型来解释这一点，认为腔体加速发射的能力（一个被称为珀塞尔因子/Purcell factor的概念）对于保持自旋至关重要。虽然他们简单的模型计算出的数字与实验并不完全吻完全一致，但趋势是明确的：腔体起到了帮助作用。
最终，这项工作并不声称今天已经制造出了完美的基于自旋的计算机。相反，它表明在这些特定的微腔中，卤化物钙钛矿是保持自旋信息在室温下存活的极具前景的游乐场。它为未来的设备打开了大门，例如手性激光器或光学开关，这些设备有一天可能会利用光的自旋，比以往任何时候都更快、更高效地处理信息。
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