【光学】Nat. Commun.：全无机铅基卤化物钙钛矿中的光致瞬态圆二色性和激子自旋动力学研究

近年来，具有钙钛矿晶体结构（APbX3）的铅基卤化物半导体材料受到了极大关注，其中A通常为有机碱性基团（甲胺基 CH3NH3+等）或者无机阳离子（Cs+）、X 为卤素离子（即Cl-、Br-和I-）。铅基卤化物钙钛矿具有较高的吸收系数和荧光量子产率、长载流子扩散距离、能带带隙可调和缺陷容忍度高等优异性质，已被广泛应用于制备高性能的光子学和光电子学器件，例如太阳能电池、发光二极管（LEDs）、光电探测器和微型激光器等。除此以外，由于铅元素有很强的自旋-轨道耦合效应，铅基卤化物钙钛矿还具有自旋相关的光电子性质（图1a），因此有望在自旋电子学和量子光学领域一展身手。然而，目前学界对铅基卤化物钙钛矿中自旋相关光物理现象的研究尚不深入，核心的微观物理机制还需要进一步的系统探索。

       全无机钙钛矿（CsPbBr3和CsPbCl3）具有很好的稳定性和较大的激子结合能（40-70 毫电子伏），因此在室温时就有很强的激子（exciton）效应。新加坡南洋理工大学熊启华教授课题组近年来致力于研究全无机钙钛矿及其与光学微腔的复合结构中的新奇光电特性和量子光学现象，已在室温激子极化激元（exciton-polariton）玻色爱因斯坦凝聚（Bose–Einstein condensate）的形成、高速传播以及周期势的调控等方面取得一系列成果。如果能够深入理解全无机钙钛矿及其复合体系中激子和激子极化激元的自旋特性，必将为发展相关的量子光学器件打下坚实基础。

       针对这些问题，该团队科研人员利用超快泵浦-探测光谱和时间分辨荧光光谱等实验手段系统研究了单晶全无机钙钛矿中自旋相关的超快光物理现象。他们利用圆偏振泵浦光在全无机钙钛矿中注入具有特定自旋信息的激子，并用相同或者相反圆偏振的宽频探测光测量非线性光学吸收谱在时域的演化。研究结果表明：自旋相关的激子多体相互作用能够打破原有体系中自旋能级的简并（图1b），从而实现光诱导的圆二色性（circular dichroism）。在较高的光激发功率下，这种光操控的自旋能级劈裂可以达到几十个毫电子伏，远远超过外加磁场所能产生的Zeeman自旋能级劈裂。通过实时探测光致圆二色性在时域的演化，可以获得激子自旋的寿命（图1c）。在很低的光激发功率下，全无机钙钛矿中激子的自旋寿命可达~20皮秒，这是目前已知的在室温时金属卤化物钙钛矿材料中最长的激子或者电子自旋寿命。作者们还系统开展了变激发功率和变温的泵浦-探测光谱实验，从而进一步确定出激子自旋弛豫的主导机制是电子-空穴交换作用，即所谓的Bir–Aronov–Pikus (BAP) mechanism。这些物理规律的揭示，为全无机钙钛矿在自旋电子学和量子光学领域的应用提供了重要的研究基础。

图1. 全无机钙钛矿（CsPbBr3）中光致瞬态圆二色性和激子自旋弛豫动力学。

相关成果于近期发表在Nature Communications 上，文章的第一作者是新加坡南洋理工大学的博士后赵伟杰和苏锐。

       原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Transient circular dichroism and exciton spin dynamics in all-inorganic halide perovskites Weijie Zhao, Rui Su, Yuqing Huang, Jinqi Wu, Chee Fai Fong, Jiangang Feng, Qihua Xiong Nat. Commun., 2020, 11, 5665, DOI: 10.1038/s41467-020-19471-9