近日，我院先进材料与精细光谱课题组在有机合金晶体Pe(1-x)DCAx微腔中光子自旋轨道耦合的调控方向取得重要进展，相关工作“Organic Alloy Crystal Microcavity Boosting the Controllable Photonic Spin−Orbit Coupling”以河北大学为第一单位发表在光学著名期刊《ACS Photonics》，2022级硕士研究生黄少娴为第一作者，我院任佳欢博士、赵晓辉副教授、首都师范大学廖清教授和北京石油化工学院顾春玲研究员为论文共同通讯作者。
光的自旋−轨道耦合（SOC）是量子物理中粒子自旋和轨道运动相互作用的结果，且已经在各种材料和功能腔中被证明。然而，在单一组分的无机或有机晶体中，折射率的各向异性是固定的，这阻碍了材料调节光学SOC的能力。但是通过调节分子的排列和堆积构型以及有机主体和客体在合金中的比例，有机合金的各向异性可以在很大范围内被精确控制和连续操纵。这一优点赋予有机合金在微米或纳米级的光学SOC和光子伪自旋性质的精确操纵而不需要外场。在本工作中，以Pe作为受体分子，DCA作为给体分子，基于溶液挥发法，通过改变DCA掺杂到Pe中的摩尔比，制备有机合金晶体Pe(1-x)DCAx，在低掺杂比例下（x = 0、0.5%、1%、5%、10%和20%）实现了对其各向异性的调控。典型有机合金晶体微腔在x = 0.5%、1%和5%时的角分辨反射谱如图所示。由图可以清楚地看到两组具有不同曲率的腔模式，并且在θ = ±15°和Eenergy = 2.38 ~ 2.42 eV处出现明显的反交叉现象。我们从理论上模拟得到两组腔体模式的有效折射率差Δneff，得到Δneff分别为0.90（x = 0.5%）、1.00（x = 1%）和0.85（x = 5%），与合金的各向异性的变化趋势是一致。同时提取得到反交叉点的自旋劈裂能（ΔEk = EVn-1 – EHn）和圆偏振度（DCP），发现机合金的各向异性与劈裂能和圆偏振度变化一致，实验结果揭示了由产生的自旋能量分裂表示的SOC强度与正交线偏振且具有相反宇称的两个腔模的折射率差之间的关系。因此利用有机合金晶体微腔实现了不同耦合强度的光学SOC。我们的工作为可控SOC的深入研究提供了理想的平台，在集成光子芯片和光子仿真器方面显示出巨大的潜力。
该研究工作得到了国家自然科学基金、河北省教育厅、河北大学高层次人才启动经费、河北大学自然科学交叉学科研究项目的大力支持。
全文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.5c02255
