定向准直发射的圆偏振光在手性光学、量子光学、自旋电子学等领域发挥着基础性作用，它通常由光源和一系列光学元器件（如：偏振片、1/4波片、准直器、平面镜等）级联产生，如何在一个紧凑的发光器件上同时实现高发光效率、高圆偏振度、高准直性和大发射角具有重要的理论和应用价值，也极具挑战。现有的微纳激光器往往只能实现其中的部分功能，且光束的圆偏振度通常较低（<0.5），难以实现大角度（>40°）定向发射。

金属卤化物钙钛矿作为下一代发光器件的理想材料，具有发光量子效率高、带隙可调、可溶液加工等优势，但由于缺乏固有的自旋锁定机制，其发光圆偏振度很低，即使在钙钛矿材料中引入手性配体构筑手性钙钛矿，可实现的发光圆偏振度依旧非常有限，而钙钛矿发光器件的小型化会进一步降低发光效率和方向性。
连续域束缚态（Bound state in the continuum, BIC）作为一种奇异的光学拓扑态，具有超高的光学品质因子，因而被用于超表面增强的光发射。由于BIC的拓扑结构在布里渊区内表现为环绕Γ点的偏振涡旋，因此BIC超表面通常发射垂直方向的涡旋光。近期，科学家也展示了基于手性BIC的高圆偏振度发光，但所使用的具有特定倾斜角度的三维手性结构对微纳制造工艺提出了严格要求，结构的微小偏差都会导致圆偏振度的显著降低，因此该方案无法进行大规模推广和应用；且其发射方向固定为法线方向，难以实现大范围的发射角调制。

近日，新加坡国立大学仇成伟教授课题组、清华大学熊启华教授课题组及合作者在基于钙钛矿超表面的定向圆偏振发光方面取得重要进展，通过光子能带的布里渊区折叠，在BIC模式上加载了光子自旋相关的几何相位，成功实现了辐射的自旋-能谷锁定，在一个超紧凑的发光器件上（40 μm × 40 μm × 160 nm）同时实现了高圆偏振度（~0.91）、高准直性（发射角<1.6°）、可控大角度发射（发射角最大可达41°）以及较低的激射阈值（8.5 μJ/cm²）（图1）。这一成果不仅拓展了BIC的相关理论而且为调制相干和非相干辐射过程提供了一个独特的范式，在光源与光探测器、显示技术、量子光学等领域有重要应用前景。

图1. 钙钛矿发光超表面性能示意图。

相关成果以“Compact spin-valley-locked perovskite emission”为题发表于Nature Materials。新加坡国立大学陈杨博士（现为中国科学技术大学教授）、南洋理工大学凤建岗博士（现为新加坡国立大学博士后）和黄雨青博士（现为中科院半导体所研究员）为本论文共同第一作者，仇成伟教授和熊启华教授为共同通讯作者，工作还得到了新加坡国立大学的Yi Hou教授、陈伟锦博士，南洋理工大学的Rui Su教授以及北京量子信息科学研究院的Sanjib Ghosh研究员的支持。

钙钛矿超表面的设计

钙钛矿超表面由周期性旋转的钙钛矿缺口纳米盘阵列构成（图2a）。通过自限组装的加工工艺，多晶态溴化甲脒铅（FAPbBr₃）钙钛矿可以在预先加工的SiO_₂模板内共形生长，实现低至50 nm的特征尺寸和长程均匀性（图2b）。如果纳米盘不具有缺口，该超表面的TE₁₀模式在布里渊区的Γ点处表现为局部能带极值，也称为Γ能谷，且由于结构具有的面内反转对称性，TE₁₀在Γ谷处形成对称性保护BIC态。此处，研究团队精心挑选TE₁₀模式作为发光模式，因为该模式具有沿纳米盘外周均匀分布的环形电场，缺口的周期性旋转不会导致该模式的失效，这对几何相位的引入极其关键。图2. (a)钙钛矿超表面示意图、(b)样品电镜图以及(c)计算得到的在不同能谷中的分布。

周期性旋转缺口（旋转周期为N）的引入会将阵列周期由p扩展为Np，这会导致光子能带在布里渊区内发生折叠和扩展，产生一系列扩展能谷Γ_ν，其动量为 (k_x，k_y) = (2πν/Np, 0)，尽管这些扩展能谷具有平移对称性，它们在远场可以表现出不同的辐射特性：钙钛矿受激辐射产生的光子会耦合到高Q的BIC模式中，并根据光子的自旋态选择性地发射到相反的扩展能谷中（图2a）。这种光子辐射的自旋-能谷锁定类似于二维TMDC中激子的自旋-能谷锁定。相应地，类比电子的贝利曲率，我们计算了光子在不同频带|n⟩中的对应形式：

在动量空间中等效为一个作用于辐射自旋光子的有效磁场，且在Γ₊₁和Γ_-1能谷内等值反号（图2c），从而诱导光子辐射的自旋-能谷锁定。

基于紧束缚模型的理论建模

不同于常见的局域超表面（local metasurface），非局域谐振超表面（nonlocal resonant metasurface）的辐射特性需要将超表面作为一个整体考虑，单个单元的旋转不仅会在局域引入相位变化，还会对周围单元乃至整个超表面产生影响。因而，研究团队构建了紧束缚模型（tight-binding model）对超表面的辐射特性进行分析和预测，该模型将局域模式按照沿z轴的投影分解为无远场辐射的单极模式S_z = 0和具有σ^±偏振的辐射模式S_z = ±1（图3a），系统的哈密顿量写为：

 H=H₀+V_OS+V_nn

图3. (a)紧束缚模型示意图。(b)基于紧束缚模型计算的钙钛矿超表面的辐射特性。(c)实验测得的钙钛矿超表面自发辐射特性。

其中H₀描述没有缺口时的超表面，而V_OS和V_nn分别描述由周期性旋转缺口引入导致的局域模式在单元内和最邻近单元间的耦合。V_OS和V_nn的协同作用使得S_z = +1和-1在x方向跳跃时积累相反的几何相位，产生相反的相位梯度，从而向相反的扩展能谷辐射。理论计算表明Γ₊₁和Γ_-1能谷辐射的斯托克斯参数S₃符号相反且幅值接近1（图3b），证明了自旋-能谷锁定的产生。

钙钛矿超表面发光特性的实验研究

为了实验研究钙钛矿超表面的自发辐射特性，研究团队使用455 nm线偏振连续激光激发超表面，并测量其角分辨荧光光谱，测量结果与理论计算高度一致（图3c）。在TE₁₀模式的Γ₀能谷底部形成了一个BIC态，而在Γ₀能谷的两侧可以清楚观察到两个孤立的亮点，分别对应于Γ₊₁和Γ_-1能谷，它们的发射角分别为13°和-13°，且分别具有σ⁺和σ⁻的偏振，S₃高达+0.66和-0.66，而Γ₀则表现为线偏振。同时，由于自旋-能谷锁定，Γ₊₁和Γ_-1能谷的辐射在动量谱和光谱上的宽度分别为0.5 μm^-1和0.8 nm，分别对应1.6°的小发散角和700的高Q值。

这种高Q的BIC模式为激射提供了一个合适的腔模，当钙钛矿超表面在400 nm飞秒激光泵浦下超过激射阈值时，辐射色散只在553 nm处表现出四个激射亮点（图4a），这也是通过超表面结构设计使得TE₁₀模式是钙钛矿增益波段内唯一的腔模。当泵浦强度达到8.5 μJ cm^-2的阈值以上时，发光强度显著上升，而线宽则从0.8 nm变窄到0.34 nm，对应于1600的激射Q值（图4b）。由于自旋-能谷锁定，Γ₊₁和Γ_-1的激射分别具有σ⁺和σ⁻偏振，S₃高达+0.8和-0.8（图4c），高于自发辐射的S₃，这是由于激射具有更高的相干性。而中心的两个相邻光点对应于一个BIC涡旋激光的产生，可以从动量空间的光场分布得出。

图4. (a)实验测得钙钛矿超表面的激射色散图。(b)发光强度与半高宽随泵浦强度的变化。(c)激射的S₃色散图。(d)激射的动量空间分布。

进一步，研究团队通过超晶胞内缺口转角的排列加载不同的几何相位，调制辐射特性。当超晶胞内周期数等于2时，携带几何相位的激射将出现在Γ₊₂和Γ_-2能谷上，并携带σ⁺和σ⁻偏振。对于周期数为3的情况，发射角会进一步增加到41°和-41°，对应Γ₊₃和Γ_-3能谷，如此大的发射角相比已有的定向发光工作有显著增加。此外，实验测得S₃高达+0.91和-0.91，远高于现有的大多数手性发光的工作。当超晶格内周期数为0时，自旋-能谷锁定失效，产生线偏振激光（图5c）。

图5. 通过钙钛矿超表面的设计实现激射方向和偏振的调制。

未来展望

这项工作首次展示了利用布里渊区折叠在BIC模式上加载几何相位，扩展了BIC相关理论，为调制BIC谐振提供了新方法。另一方面，这项工作也为调制相干和非相干发光提供了一个独特而通用的范式，可广泛应用于热辐射、电致发光、自发参数下转换等。它对发光材料没有特别要求，可以扩展到其他发光材料，如TMDC、砷化镓和量子点。除了自旋-能谷锁定之外，通过重新排列超晶胞内单元，还可以实现更丰富的功能，在光源和光探测器、显示技术、手性光学和量子光学领域具有潜在应用价值。

  论文信息  

Chen, Y., Feng, J., Huang, Y. et al. Compact spin-valley-locked perovskite emission. Nat. Mater. (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01531-2