（通讯员 李贵显）6月16日，《美国化学学会·纳米》（ACS Nano）在线发表了国家脉冲强磁场科学中心韩一波教授课题组题为“玻璃基底Eu²⁺掺杂无铅钙钛矿纳米晶中磁耦合调控的自旋偏振发光”（Spin-Polarized Luminescence Modulated by Magnetic Coupling in Glass-Embedded Eu²⁺-Doped Lead-Free Perovskite Nanocrystals）的研究论文。中心博士生李贵显为论文第一作者，武汉理工大学刘超教授、中心韩一波教授为论文共同通讯作者。

实现兼具高效发光与自旋选择性响应的固态材料是自旋电子学与量子信息处理领域的核心目标。Eu²⁺离子具有高自旋（S=7/2）基态，是理想的自旋光子界面候选者，但其发射自旋偏振通常受限于低温环境，因热涨落易淹没塞曼分裂。传统铅基钙钛矿虽具强自旋-轨道耦合，但毒性和弱磁性限制了其在自旋光电子领域的应用。针对上述瓶颈，该合作团队创新性地采用玻璃熔融淬火与热处理工艺，在CsCaCl₃钙钛矿晶格中掺入Eu²⁺，获得了空气稳定、窄带蓝光发射（半高宽~157.9meV，色纯度99%）的纳米晶，为磁光研究提供了纯净模型体系。依托重频脉冲强磁场磁光谱系统（磁场峰值42T），团队发现该材料在4.2K下圆偏振度高达约45%，远超传统Eu基卤化物（CsEuCl₃在1.7K下仅29%）。机理研究表明，高偏振度源于Eu²⁺离子内4f⁶5d¹自旋耦合态——5d电子与4f空穴的强库仑吸引形成局域束缚态，并与基态磁矩发生强交换耦合，共同主导了辐射复合的自旋选择性。

图1(a)在玻璃中原位生长的CsCaCl₃:Eu²⁺纳米晶在法拉第材料构型下的磁感应圆偏振发光（MCPP）示意图，以及Eu²⁺掺杂的钙钛矿晶体结构模型。(b,c)发光强度及光子能量随磁场的变化规律，分别展示了左旋、右旋偏振及非偏振条件下的响应信号。(d)磁场依赖的圆偏振度（P(%)）与Eu²⁺掺杂浓度的关系，插图揭示了高浓度下Eu-Eu磁交换相互作用由铁磁向反铁磁耦合的转变，解释了高掺杂导致偏振度下降的内在机制。(e,f)不同温度下圆偏振度及塞曼分裂能随磁场的变化曲线，展现了该材料在宽温度区间内优异的磁光响应特性。

通过系统调控Eu²⁺掺杂浓度（0.5%至5%），该团队揭示了浓度驱动的铁磁-反铁磁耦合转变机制：居里-外斯温度随Eu浓度增加从+59.3K单调降至-61.8K，从实验上证实了Eu-Eu间磁耦合由铁磁向反铁磁的演化。低浓度时铁磁内场增强塞曼分裂，高浓度时Cl⁻介导的超交换占主导，抑制自旋偏振效率。值得注意的是，强局域交换相互作用有效抵御了热退极化，使圆偏振发射在室温（300K）下仍清晰可辨，且Zeeman劈裂能量与g因子在室温下仍维持与低温相当的数值。基于此，团队成功演示了室温下循环脉冲磁场（±6T）对发射偏振态的可逆调控，实现了σ⁻、非偏振与σ⁺状态间的快速切换，展示了该材料在非易失磁光存储与自旋光子开关中的应用潜力。

图2展示了CsCaCl₃:Eu²⁺纳米晶玻璃在室温下通过循环脉冲磁场（±6T）对发射偏振态（σ⁻、非偏振、σ⁺）进行可逆磁编码的示意图、磁场波形及响应结果。

该工作首次在低浓度Eu²⁺掺杂材料中实现室温自旋偏振发光，为非铅基自旋电子学提供了稳定平台，并为理解Eu²⁺掺杂发光材料中自旋-光子界面的物理机制建立了清晰框架。

本项研究工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.6c03542