キラルハイブリッド鉛ハロゲン化における円形偏光の非線形光学活動の直接観察

円形偏光放出は、イメージング、センシング、およびフォトニクスにおける重要な用途です。ただし、高エネルギーの光励起とは対照的に、低エネルギー光子を利用して材料を励起することで、深部組織のイメージングとセンシングアプリケーションを促進できます。課題は、円形偏光の非線形光学効果を直接生成できる材料を見つけることにあります。この研究では、キラルハイブリッドリードハロゲン化物（CHLH）材料システム、R/S-DPPB3BR8・H2O（DPED = 1,2-ジフェニルエチレンジアンモニウム）を導入します。偏光のある赤外線励起は、室温で37％にも高い偏光効率を示します。高い偏光効率の背後にあるスピン緩和メカニズムを理解するために、2つのモデル、いわゆるD'Yakonov-Perel '（DP）とBir-Aronov-Pikus（BAP）メカニズムを使用しました。ハイブリッド構造内のユニークなジグザグ無機フレームワークは、誘電体の閉じ込めと励起子結合エネルギーを減らすと考えられているため、特にDPメカニズムに基づいた励起ポンプフルエンスが高い領域では、スピン偏光が強化されています。低励起ポンプフルエンスの場合、CP-SHG測定から偏光比の観察された減少によって証明されるように、BAPメカニズムが支配します。密度の機能理論分析を使用して、臭化物のビルディングブロックの特徴的な8調整環境が、伝導帯の最小でのスピン軌道結合を効果的に抑制する方法を解明します。この抑制はスピン分割を大幅に減少させ、それによりスピン緩和速度を遅くします。

Circularly polarized light emission is a crucial application in imaging, sensing, and photonics. However, utilizing low-energy photons to excite materials, as opposed to high-energy light excitation, can facilitate deep-tissue imaging and sensing applications. The challenge lies in finding materials capable of directly generating circularly polarized nonlinear optical effects. In this study, we introduce a chiral hybrid lead halide (CHLH) material system, R/S-DPEDPb3Br8·H2O (DPED = 1,2-diphenylethylenediammonium), which can directly produce circularly polarized second harmonic generation (CP-SHG) through linearly polarized infrared light excitation, exhibiting a polarization efficiency as high as 37% at room temperature. To understand the spin relaxation mechanisms behind the high polarization efficiency, we utilized two models, so-called D'yakonov-Perel' (DP) and Bir-Aronov-Pikus (BAP) mechanisms. The unique zigzag inorganic frameworks within the hybrid structure are believed to reduce the dielectric confinement and exciton binding energy, thus enhancing spin polarization, especially in regions with a high excitation pump fluence based on the DP mechanism. In the case of low excitation pump fluence, the BAP mechanism dominates, as evidenced by the observed decrease in the polarization ratio from CP-SHG measurement. Using density functional theory analysis, we elucidate how the distinctive 8-coordination environment of lead bromide building blocks effectively suppresses spin-orbit coupling at the conduction band minimum. This suppression significantly diminishes spin-splitting, thereby slowing the spin relaxation rate.