注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
自旋激光器是一种利用自旋电子产生和控制激光输出的新型器件，具有超快调制速度、更低功耗和新颖自由度等显著优势。它在高速光通信、光计算、量子信息处理和数据中心的光互连等领域具有广阔应用前景。近日，湖南大学潘安练教授团队通过外延制备原子级平整的PbI2纳米片，研发了首个单片自旋激光器，并实现了破纪录的超低阈值。
近年来，高速光通信与量子信息处理的需求日益增长，自旋激光器作为新一代光电子器件逐渐成为科学研究的前沿热点。追求低阈值、高自旋保真度、可集成化的自旋激光器成为推动下一代光互连技术发展的重要趋势。自旋激光器通过电子自旋直接调控光子偏振态，在高速光调制、安全通信及芯片级光子集成等领域展现出重要应用价值。然而，当前自旋激光器的研发仍面临多重制约因素：传统器件依赖复杂的外延微腔结构，制备工艺繁琐且成本高昂；器件尺寸与功耗矛盾突出，阈值功率常达kW/cm2量级，限制了其在低功耗场景的部署。值得注意的是，现有技术路线仍然难以摆脱光学微腔的依赖，这极大地阻碍了自旋激光器在片上集成的过程，从而限制了其应用潜力。
湖南大学团队针对传统自旋激光器依赖复杂光子微腔、尺寸大、功耗高的瓶颈，提出了一种通过范德华外延直接合成高质量、超平整PbI2纳米片的全新策略。研究团队在原子级平整的WS2多层膜模板上，利用化学气相沉积生长出边缘长度约10微米、厚度约500纳米的三角单晶PbI2纳米片，表面粗糙度波动小于0.6纳米，有效抑制了光学损耗和自旋散射中心。
图1. 原子级平整的外延PbI2纳米片。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
表征显示，外延PbI2的激子结合能达55.2 meV，较普通样品提升一倍，辐射复合效率增强9倍。室温下光致发光偏振度（DOP）为24.6%，20 K时进一步提升至39.8%。时间分辨光谱测得自旋弛豫时间长达42.6皮秒，表明优异的自旋保持能力。有限时域差分模拟证实，纳米片天然形成高品质回音壁模式微腔，自发辐射耦合因子β达0.06-0.08，显著优于普通样品（β=0.01）。
图2. 激子及自旋性能提升。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
基于此材料，首次实现了无需外部光子微腔的单片自旋激光器。在20 K下，线性偏振泵浦阈值低至93.3 W/cm2，圆偏振泵浦时σ⁻分量阈值进一步降至52.5 W/cm2，比传统自旋激光器降低1-2个数量级。在79.1 W/cm2泵浦下，激光DOP高达86.2%。
图3. 基于外延PbI2纳米片的自旋激光器。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
理论分析表明，低阈值有效抑制了高载流子密度下的Elliott-Yafet和Dyakonov-Perel自旋弛豫机制，结合PbI2本征的简并四能级自旋结构，实现了创纪录的低阈值与高自旋保真度协同。该工作通过材料创新突破器件架构限制，为芯片级集成、低功耗自旋光电子系统提供了可扩展的新方案，在量子通信、高速光互连及便携式传感领域具有重要应用前景。
这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，论文的第一作者是国防科技大学副研究员郑玮豪、讲师郑弼元、湖南大学副教授蒋英。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Direct Synthesis of Atomically Smooth Epitaxial PbI2 Nanosheets for Low-Threshold Monolithic Spin Lasers
Weihao Zheng, Ying Jiang, Biyuan Zheng, Zilan Tang, Xiaoxia Wang, Xiaoli Zhu, Dong Li, Shula Chen*, Yuerui Lu*, Anlian Pan*
J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 42123–42132, DOI: 10.1021/jacs.5c16455
潘安练教授简介
潘安练，国家杰出青年基金获得者、基金委创新研究群体项目负责人。聚焦我国芯片技术的卡脖子难题，长期深耕新一代光电芯片研发，突破了低维半导体能带调控、光传输和波导行为调制等科学难题，攻克了高性能红外薄膜、硅基Micro-LED微显示芯片等技术瓶颈，实现了AR显示、激光制导等多项国民经济和国防装备应用，在 Science、Nature Nanotechnology、Nature Electronics 等国际顶级期刊发表论文400余篇，获授权发明专利50余项，相关成果以第一完成人获国家自然科学二等奖等奖励。
郑玮豪副研究员简介
郑玮豪，国防科技大学纳米科学系副研究员，专注于光子材料及其复合结构的生长，以及相关光子学元器件的设计与制备研究。研究经验涵盖纳米材料生长、纳米光子学、载流子动力学、自旋光电子学以及纳米激光器等多个前沿领域。共发表SCI论文60余篇。以第一作者或通讯作者身份在《Nat. Commun.》《J. Am. Chem. Soc.》（3篇）、《Nano. Lett.》（3篇）、《Adv. Sci.》、《ACS Energy Lett》、《Coordin. Chem. Rev.》等国际知名期刊上发表论文18篇。学术成果总引用次数超过5000次，h指数达到36。
科研思路分析
Q：这项研究的idea是怎么产生的呢？
A：在我看来，对于初涉科研的学生而言，预测性地提出理论并指引实验方向，通常是顶尖学者才具备的能力。大多数科研灵感并非来自理论推演，而是在既定框架下探索时，偶然发现的、与预期不符的规律性结果。很多人把这类"异常"视为实验失败，我却认为其中往往藏着真实且未被发掘的科学价值。
这个课题正是如此。我们最初偶然发现，PbI2在低温下的荧光强度比室温高出近四个数量级，证明它极具激光增益材料的潜力；随后又意外观察到，在多层WS2衬底上生长的PbI2表面异常平整；再加上之前已验证的PbI2优异自旋特性。这三个看似独立的结果交汇，让我们萌生了一个大胆想法：能否整合这些优势，构筑单片式自旋激光器？令人欣喜的是，我们不仅成功了，而且器件性能远超预期。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：这项工作始于2020年，到2021年我们已完成初步实验并撰写出初稿，年底便开始了投稿。起初我们对结果颇为乐观，先后尝试了几个子刊级别期刊并进入审稿，但最终都未能成功。这让我们真切体会到，如今冲击顶刊的难度已远非昔日可比。
我们团队原本并非自旋电子学背景，这段历程也是边学习边探索的过程。尽管多次被拒，我们仍由衷感激那些专业的审稿人——他们尖锐而精准地指出问题，促使我们系统性地钻研自旋电子学理论，并逐一补充实验、认真回应每个质疑。只是有时编辑并未给予修改机会，导致前期投稿均以拒稿告终。
五年间，论文历经上百次修订，累计补充材料超过十万词，数据汇总的PPT多达五百页，不得不拆分为多个文件支撑。最终投稿J. Am. Chem. Soc.时，我们仍以严谨态度回应审稿意见（每次回复均达数十页、上万词，并附大量补充实验），最终说服了自旋电子学领域的权威专家Igor Žutić，获得了"Top 5%"的高度评价。这段经历教会我们的，正是那种永不言弃、严谨求实的治学精神，这将成为我们未来科研道路上最宝贵的财富。
