Spin–orbit coupling splits the exciton resonances of two-dimensional organic–inorganic hybrid perovskites (2D-OIHPs) into an optically active fine structure. Although circularly polarized light can induce macroscopic spin polarizations in ensembles of quantum wells, the orientations of the angular momentum vectors associated with individual excitons generally randomize on sub-picosecond timescales in 2D-OIHPs with single lead-iodide layers. In the present work, we investigate the nonlinear optical signatures of spin depolarization in 2D-OIHP materials with various organic layer thicknesses and polaron binding energies. Transient absorption experiments conducted using circularly polarized laser pulses establish time constants for spin equilibration ranging from 65 to 110 fs in the targeted systems. In addition, with inspiration from time-resolved Faraday rotation spectroscopies, we introduce a transient grating method in which spin relaxation promotes an elliptical-to-linear transformation of the signal field polarization. Spectroscopic signatures for all experiments are simulated with a common third-order perturbative model that incorporates orientationally averaged transition dipoles and the polarizations of the laser pulses. Spectroscopic line broadening parameters obtained for the 2D-OIHP systems are considered in the context of a rate formula for spin relaxation, wherein the spin–orbit coupling is combined with a cumulant expansion for fluctuations of the energy levels. Our analysis suggests that the insensitivity of the measured spin relaxation rates to the polaron binding energies of 2D-OIHPs reflects the suppression of an activation energy barrier due to motional narrowing. Model calculations conducted with empirical parameters indicate that motional narrowing of the spin relaxation processes originates in correlated thermal fluctuations of the energy levels comprising the exciton fine structure.

1.
C. C.
Stoumpos
,
D. H.
Cao
,
D. J.
Clark
,
J.
Young
,
J. M.
Rondinelli
,
J. I.
Jang
,
J. T.
Hupp
, and
M. G.
Kanatzidis
,
Chem. Mater.
28
(
8
),
2852
2867
(
2016
).
2.
M.
Yuan
,
L. N.
Quan
,
R.
Comin
,
G.
Walters
,
R.
Sabatini
,
O.
Voznyy
,
S.
Hoogland
,
Y.
Zhao
,
E. M.
Beauregard
,
P.
Kanjanaboos
,
Z.
Lu
,
D. H.
Kim
, and
E. H.
Sargent
,
Nat. Nanotechnol.
11
(
10
),
872
877
(
2016
).
3.
M. D.
Smith
,
E. J.
Crace
,
A.
Jaffe
, and
H. I.
Karunadasa
,
Annu. Rev. Mater. Res.
48
(
1
),
111
136
(
2018
).
4.
Y.
Lin
,
Y.
Fang
,
J.
Zhao
,
Y.
Shao
,
S. J.
Stuard
,
M. M.
Nahid
,
H.
Ade
,
Q.
Wang
,
J. E.
Shield
,
N.
Zhou
,
A. M.
Moran
, and
J.
Huang
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
1008
(
2019
).
5.
C. M.
Mauck
and
W. A.
Tisdale
,
Trends Chem.
1
(
4
),
380
393
(
2019
).
6.
M.
Kober-Czerny
,
S. G.
Motti
,
P.
Holzhey
,
B.
Wenger
,
J.
Lim
,
L. M.
Herz
, and
H. J.
Snaith
,
Adv. Funct. Mater.
32
(
36
),
2203064
(
2022
).
7.
L.
Lei
,
Q.
Dong
,
K.
Gundogdu
, and
F.
So
,
Adv. Funct. Mater.
31
(
16
),
2010144
(
2021
).
8.
M. A.
Rahman
,
M.
Shahjahan
,
Y.
Zhang
,
R.
Wu
, and
E.
Harel
,
Chem
11
,
102360
(
2024
).
9.
A.
Amat
,
E.
Mosconi
,
E.
Ronca
,
C.
Quarti
,
P.
Umari
,
M. K.
Nazeeruddin
,
M.
Grätzel
, and
F.
De Angelis
,
Nano Lett.
14
(
6
),
3608
3616
(
2014
).
10.
T.
Qin
,
X.
Zhang
,
H.
Liu
,
Y.
Wei
,
H.
Huang
,
B.
Xiang
,
M.
Zhang
,
Z.
Wang
,
Z.
Tang
, and
Q.
Xiong
,
ACS Nano
19
(
4
),
4186
4194
(
2025
).
11.
M.
Kepenekian
,
R.
Robles
,
C.
Katan
,
D.
Sapori
,
L.
Pedesseau
, and
J.
Even
,
ACS Nano
9
(
12
),
11557
11567
(
2015
).
12.
D.
Niesner
,
M.
Wilhelm
,
I.
Levchuk
,
A.
Osvet
,
S.
Shrestha
,
M.
Batentschuk
,
C.
Brabec
, and
T.
Fauster
,
Phys. Rev. Lett.
117
(
12
),
126401
(
2016
).
13.
Z.-G.
Yu
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
(
16
),
3078
3083
(
2016
).
14.
E.
Mosconi
,
T.
Etienne
, and
F.
De Angelis
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
(
10
),
2247
2252
(
2017
).
15.
Y.
Zhai
,
S.
Baniya
,
C.
Zhang
,
J.
Li
,
P.
Haney
,
C.-X.
Sheng
,
E.
Ehrenfreund
, and
Z. V.
Vardeny
,
Sci. Adv.
3
(
7
),
e1700704
(
2017
).
16.
K.
Frohna
,
T.
Deshpande
,
J.
Harter
,
W.
Peng
,
B. A.
Barker
,
J. B.
Neaton
,
S. G.
Louie
,
O. M.
Bakr
,
D.
Hsieh
, and
M.
Bernardi
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
1829
(
2018
).
17.
S. B.
Todd
,
D. B.
Riley
,
A.
Binai-Motlagh
,
C.
Clegg
,
A.
Ramachandran
,
S. A.
March
,
J. M.
Hoffman
,
I. G.
Hill
,
C. C.
Stoumpos
,
M. G.
Kanatzidis
,
Z.-G.
Yu
, and
K. C.
Hall
,
APL Mater.
7
(
8
),
081116
(
2019
).
18.
D.
Ghosh
,
E.
Welch
,
A. J.
Neukirch
,
A.
Zakhidov
, and
S.
Tretiak
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
(
9
),
3271
3286
(
2020
).
19.
B.
Maurer
,
C.
Vorwerk
, and
C.
Draxl
,
Phys. Rev. B
105
(
15
),
155149
(
2022
).
20.
M.
Dyakonov
and
V.
Perel
,
Sov. Phys. Solid State
13
(
12
),
3023
3026
(
1972
).
21.
M. I.
D’Yakonov
,
Sov. Phys. Semicond.
20
(
1
),
110
112
(
1986
).
22.
R.
Ferreira
and
G.
Bastard
,
Phys. Rev. B
43
(
12
),
9687
9691
(
1991
).
23.
M. W.
Wu
,
J. H.
Jiang
, and
M. Q.
Weng
,
Phys. Rep.
493
(
2–4
),
61
236
(
2010
).
24.
J.
Xu
,
K.
Li
,
U. N.
Huynh
,
M.
Fadel
,
J.
Huang
,
R.
Sundararaman
,
V.
Vardeny
, and
Y.
Ping
,
Nat. Commun.
15
(
1
),
188
(
2024
).
25.
M.
Pazoki
,
R.
Imani
,
A.
Röckert
, and
T.
Edvinsson
,
J. Mater. Chem. A
10
(
39
),
20896
20904
(
2022
).
26.
X.
Chen
,
H.
Lu
,
K.
Wang
,
Y.
Zhai
,
V.
Lunin
,
P. C.
Sercel
, and
M. C.
Beard
,
J. Am. Chem. Soc.
143
(
46
),
19438
19445
(
2021
).
27.
H.
Zhou
,
Q.
Feng
,
C.
Sun
,
Y.
Li
,
W.
Tao
,
W.
Tang
,
L.
Li
,
E.
Shi
,
G.
Nan
, and
H.
Zhu
,
Nat. Commun.
15
(
1
),
8541
(
2024
).
28.
P.
Odenthal
,
W.
Talmadge
,
N.
Gundlach
,
R.
Wang
,
C.
Zhang
,
D.
Sun
,
Z.-G.
Yu
,
Z.
Valy Vardeny
, and
Y. S.
Li
,
Nat. Phys.
13
(
9
),
894
899
(
2017
).
29.
S. A.
Bourelle
,
R.
Shivanna
,
F. V. A.
Camargo
,
S.
Ghosh
,
A. J.
Gillett
,
S. P.
Senanayak
,
S.
Feldmann
,
L.
Eyre
,
A.
Ashoka
,
T. W. J.
van de Goor
,
H.
Abolins
,
T.
Winkler
,
G.
Cerullo
,
R. H.
Friend
, and
F.
Deschler
,
Nano Lett.
20
(
8
),
5678
5685
(
2020
).
30.
W.
Tao
,
Q.
Zhou
, and
H.
Zhu
,
Sci. Adv.
6
(
47
),
eabb7132
(
2020
).
31.
M.-S.
Song
,
H.
Wang
,
Z.-F.
Hu
,
Y.-P.
Zhang
,
T.-Y.
Liu
, and
H.-Y.
Wang
,
Adv. Sci.
10
(
26
),
2302554
(
2023
).
32.
H.
Jin
,
J.
Im
, and
A. J.
Freeman
,
Phys. Rev. B
86
(
12
),
121102
(
2012
).
33.
M.
Kim
,
J.
Im
,
A. J.
Freeman
,
J.
Ihm
, and
H.
Jin
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
(
19
),
6900
6904
(
2014
).
34.
P. C.
Sercel
,
J. L.
Lyons
,
D.
Wickramaratne
,
R.
Vaxenburg
,
N.
Bernstein
, and
A. L.
Efros
,
Nano Lett.
19
(
6
),
4068
4077
(
2019
).
35.
K.
Posmyk
,
N.
Zawadzka
,
M.
Dyksik
,
A.
Surrente
,
D. K.
Maude
,
T.
Kazimierczuk
,
A.
Babiński
,
M. R.
Molas
,
W.
Paritmongkol
,
M.
Mączka
,
W. A.
Tisdale
,
P.
Płochocka
, and
M.
Baranowski
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
(
20
),
4463
4469
(
2022
).
36.
K.
Posmyk
,
M.
Dyksik
,
A.
Surrente
,
D. K.
Maude
,
N.
Zawadzka
,
A.
Babiński
,
M. R.
Molas
,
W.
Paritmongkol
,
M.
Mączka
,
W. A.
Tisdale
,
P.
Plochocka
, and
M.
Baranowski
,
Adv. Opt. Mater.
12
(
8
),
2300877
(
2024
).
37.
G. D.
Scholes
,
J.
Kim
, and
C. Y.
Wong
,
Phys. Rev. B
73
(
19
),
195325
(
2006
).
38.
G. D.
Scholes
,
J. Chem. Phys.
121
(
20
),
10104
10110
(
2004
).
39.
Y. A.
Bychkov
and
E. I.
Rashba
,
JETP Lett.
39
(
2
),
66
(
1984
).
40.
M. Z.
Maialle
,
E. A.
de Andrada e Silva
, and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev. B
47
(
23
),
15776
15788
(
1993
).
41.
I.
Žutić
,
J.
Fabian
, and
S.
Das Sarma
,
Rev. Mod. Phys.
76
(
2
),
323
410
(
2004
).
42.
A.
Kiss
,
L.
Szolnoki
, and
F.
Simon
,
Sci. Rep.
6
(
1
),
22706
(
2016
).
43.
D.
Giovanni
,
W. K.
Chong
,
Y. Y. F.
Liu
,
H. A.
Dewi
,
T.
Yin
,
Y.
Lekina
,
Z. X.
Shen
,
N.
Mathews
,
C. K.
Gan
, and
T. C.
Sum
,
Adv. Sci.
5
(
10
),
1800664
(
2018
).
44.
A.
Dey
,
S.
Strohmair
,
F.
He
,
Q. A.
Akkerman
, and
J.
Feldmann
,
Appl. Phys. Lett.
121
(
20
),
201106
(
2022
).
45.
J. J.
Baumberg
,
D. D.
Awschalom
, and
N.
Samarth
,
J. Appl. Phys.
75
(
10
),
6199
6204
(
1994
).
46.
S. A.
Bourelle
,
F. V. A.
Camargo
,
S.
Ghosh
,
T.
Neumann
,
T. W. J.
van de Goor
,
R.
Shivanna
,
T.
Winkler
,
G.
Cerullo
, and
F.
Deschler
,
Nat. Commun.
13
(
1
),
3320
(
2022
).
47.
J.
Sutcliffe
and
J. O.
Johansson
,
Rev. Sci. Instrum.
92
(
11
),
113001
(
2021
).
48.
Z.
Gan
,
C. J.
Gloor
,
L.
Yan
,
X.
Zhong
,
W.
You
, and
A. M.
Moran
,
J. Chem. Phys.
161
(
7
),
074202
(
2024
).
49.
J. D.
Hybl
,
A.
Albrecht Ferro
, and
D. M.
Jonas
,
J. Chem. Phys.
115
(
14
),
6606
6622
(
2001
).
50.
M. L.
Cowan
,
J. P.
Ogilvie
, and
R. J. D.
Miller
,
Chem. Phys. Lett.
386
(
1–3
),
184
189
(
2004
).
51.
T.
Brixner
,
T.
Mančal
,
I. V.
Stiopkin
, and
G. R.
Fleming
,
J. Chem. Phys.
121
(
9
),
4221
4236
(
2004
).
52.
A. M.
Moran
,
J. B.
Maddox
,
J. W.
Hong
,
J.
Kim
,
R. A.
Nome
,
G. C.
Bazan
,
S.
Mukamel
, and
N. F.
Scherer
,
J. Chem. Phys.
124
(
19
),
194904
(
2006
).
53.
L.
Yan
,
J.
Hu
,
Z.
Guo
,
H.
Chen
,
M. F.
Toney
,
A. M.
Moran
, and
W.
You
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
(
39
),
33187
33197
(
2018
).
54.
O. F.
Williams
,
Z.
Guo
,
J.
Hu
,
L.
Yan
,
W.
You
, and
A. M.
Moran
,
J. Chem. Phys.
148
(
13
),
134706
(
2018
).
55.
R.
Trebino
,
K. W.
DeLong
,
D. N.
Fittinghoff
,
J. N.
Sweetser
,
M. A.
Krumbügel
,
B. A.
Richman
, and
D. J.
Kane
,
Rev. Sci. Instrum.
68
(
9
),
3277
3295
(
1997
).
56.
M. A.
Becker
,
R.
Vaxenburg
,
G.
Nedelcu
,
P. C.
Sercel
,
A.
Shabaev
,
M. J.
Mehl
,
J. G.
Michopoulos
,
S. G.
Lambrakos
,
N.
Bernstein
,
J. L.
Lyons
,
T.
Stöferle
,
R. F.
Mahrt
,
M. V.
Kovalenko
,
D. J.
Norris
,
G.
Rainò
, and
A. L.
Efros
,
Nature
553
(
7687
),
189
193
(
2018
).
57.
A. K.
Poonia
,
M.
Shrivastava
,
W. J.
Mir
,
J.
Aneesh
,
A.
Nag
, and
K. V.
Adarsh
,
Phys. Rev. B
104
(
16
),
L161407
(
2021
).
58.
H.
Haug
and
S. W.
Koch
,
Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors
(
World Scientific
,
Singapore
,
2009
).
59.
P. Y.
Yu
and
M.
Cardona
,
Fundamentals of Semiconductors
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2010
).
60.
M.
Combescot
and
O.
Betbeder-Matibet
,
Phys. Rev. B
81
(
23
),
235203
(
2010
).
62.
M.
Combescot
,
O.
Betbeder-Matibet
, and
F.
Dubin
,
Phys. Rep.
463
(
5–6
),
215
320
(
2008
).
63.
P.
Geiregat
,
R.
Tomar
,
K.
Chen
,
S.
Singh
,
J. M.
Hodgkiss
, and
Z.
Hens
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
(
13
),
3637
3644
(
2019
).
64.
S.
Mukamel
,
Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy
(
Oxford University Press
,
New York
,
1995
).
65.
F.
Thouin
,
S.
Neutzner
,
D.
Cortecchia
,
V. A.
Dragomir
,
C.
Soci
,
T.
Salim
,
Y. M.
Lam
,
R.
Leonelli
,
A.
Petrozza
,
A. R. S.
Kandada
, and
C.
Silva
,
Phys. Rev. Mater.
2
(
3
),
034001
(
2018
).
66.
A. H.
Proppe
,
M. H.
Elkins
,
O.
Voznyy
,
R. D.
Pensack
,
F.
Zapata
,
L. V.
Besteiro
,
L. N.
Quan
,
R.
Quintero-Bermudez
,
P.
Todorovic
,
S. O.
Kelley
,
A. O.
Govorov
,
S. K.
Gray
,
I.
Infante
,
E. H.
Sargent
, and
G. D.
Scholes
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
(
3
),
419
426
(
2019
).
67.
S.
Ramesh
,
M.
Feng
,
T.
Furuhashi
, and
T. C.
Sum
,
ACS Photonics
10
(
12
),
4456
4464
(
2023
).
68.
K.
Kwac
and
M.
Cho
,
J. Phys. Chem. A
107
(
31
),
5903
5912
(
2003
).
69.
M.
Cho
,
H. M.
Vaswani
,
T.
Brixner
,
J.
Stenger
, and
G. R.
Fleming
,
J. Phys. Chem. B
109
(
21
),
10542
10556
(
2005
).
70.
M.
Cho
,
Chem. Rev.
108
(
4
),
1331
1418
(
2008
).
71.
D. L.
Andrews
and
T.
Thirunamachandran
,
J. Chem. Phys.
67
(
11
),
5026
5033
(
1977
).
72.
O. F.
Williams
,
N.
Zhou
,
J.
Hu
,
Z.
Ouyang
,
A.
Kumbhar
,
W.
You
, and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. A
123
(
51
),
11012
11021
(
2019
).
73.
V.
Coropceanu
,
J.
Cornil
,
D. A.
da Silva Filho
,
Y.
Olivier
,
R.
Silbey
, and
J.-L.
Brédas
,
Chem. Rev.
107
(
4
),
926
952
(
2007
).
74.
G.
Rainò
,
M. A.
Becker
,
M. I.
Bodnarchuk
,
R. F.
Mahrt
,
M. V.
Kovalenko
, and
T.
Stöferle
,
Nature
563
(
7733
),
671
675
(
2018
).
75.
G.
Findik
,
M.
Biliroglu
,
D.
Seyitliyev
,
J.
Mendes
,
A.
Barrette
,
H.
Ardekani
,
L.
Lei
,
Q.
Dong
,
F.
So
, and
K.
Gundogdu
,
Nat. Photonics
15
(
9
),
676
680
(
2021
).
76.
M.
Biliroglu
,
G.
Findik
,
J.
Mendes
,
D.
Seyitliyev
,
L.
Lei
,
Q.
Dong
,
Y.
Mehta
,
V. V.
Temnov
,
F.
So
, and
K.
Gundogdu
,
Nat. Photonics
16
(
4
),
324
329
(
2022
).
77.
H. A.
Nguyen
,
G.
Dixon
,
F. Y.
Dou
,
S.
Gallagher
,
S.
Gibbs
,
D. M.
Ladd
,
E.
Marino
,
J. C.
Ondry
,
J. P.
Shanahan
,
E. S.
Vasileiadou
,
S.
Barlow
,
D. R.
Gamelin
,
D. S.
Ginger
,
D. M.
Jonas
,
M. G.
Kanatzidis
,
S. R.
Marder
,
D.
Morton
,
C. B.
Murray
,
J. S.
Owen
,
D. V.
Talapin
,
M. F.
Toney
, and
B. M.
Cossairt
,
Chem. Rev.
123
(
12
),
7890
7952
(
2023
).
78.
Y.
Yoneda
and
H.
Kuramochi
,
J. Phys. Chem. A
127
(
24
),
5276
5286
(
2023
).
79.
S.
Biswas
,
R.
Zhao
,
F.
Alowa
,
M.
Zacharias
,
S.
Sharifzadeh
,
D. F.
Coker
,
D. S.
Seferos
, and
G. D.
Scholes
,
Nat. Mater.
23
(
7
),
937
943
(
2024
).
80.
K.-z.
Du
,
Q.
Tu
,
X.
Zhang
,
Q.
Han
,
J.
Liu
,
S.
Zauscher
, and
D. B.
Mitzi
,
Inorg. Chem.
56
(
15
),
9291
9302
(
2017
).
81.
N.
Fillafer
,
T.
Seewald
,
L.
Schmidt-Mende
, and
S.
Polarz
,
Beilstein J. Nanotechnol.
11
,
466
479
(
2020
).
82.
A.
Ummadisingu
,
A.
Mishra
,
D. J.
Kubicki
,
T.
LaGrange
,
A.
Dučinskas
,
M.
Siczek
,
W.
Bury
,
J. V.
Milić
,
M.
Grätzel
, and
L.
Emsley
,
Small
18
(
5
),
2104287
(
2022
).
83.
B. P.
Molesky
,
P. G.
Giokas
,
Z.
Guo
, and
A. M.
Moran
,
J. Chem. Phys.
141
(
11
),
114202
(
2014
).
84.
B. A.
West
and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
(
18
),
2575
2581
(
2012
).
85.
A.
Nitzan
,
Chemical Dynamics in Condensed Phases: Relaxation, Transfer, and Reactions in Condensed Molecular Systems
(
Oxford University Press
,
2014
).
86.
P. F.
Barbara
,
T. J.
Meyer
, and
M. A.
Ratner
,
J. Phys. Chem.
100
(
31
),
13148
13168
(
1996
).
87.
E. J.
Piechota
and
G. J.
Meyer
,
J. Chem. Educ.
96
(
11
),
2450
2466
(
2019
).
88.
N.
Demirdöven
,
M.
Khalil
,
O.
Golonzka
, and
A.
Tokmakoff
,
J. Phys. Chem. A
105
(
34
),
8025
8030
(
2001
).
89.
R.
Venkatramani
and
S.
Mukamel
,
J. Chem. Phys.
117
(
24
),
11089
11101
(
2002
).
90.
H.
Lee
,
Y.-C.
Cheng
, and
G. R.
Fleming
,
Science
316
(
5830
),
1462
1465
(
2007
).
91.
J. M.
Womick
and
A. M.
Moran
,
J. Phys. Chem. B
113
(
48
),
15747
15759
(
2009
).
92.
V.
Srinivas
,
Y. J.
Chen
, and
C. E. C.
Wood
,
Solid State Commun.
89
(
7
),
611
614
(
1994
).
93.
V.
Srinivas
,
Y. J.
Chen
, and
C. E. C.
Wood
,
J. Opt. Soc. Am. B
13
(
5
),
989
993
(
1996
).
94.
R. A.
Höpfel
,
J.
Shah
,
P. A.
Wolff
, and
A. C.
Gossard
,
Phys. Rev. B
37
(
12
),
6941
6954
(
1988
).
95.
Z.
Mics
,
A.
D'Angio
,
S. A.
Jensen
,
M.
Bonn
, and
D.
Turchinovich
,
Appl. Phys. Lett.
102
(
23
),
231120
(
2013
).
96.
H.
Schmidt
,
I.
Yudhistira
,
L.
Chu
,
A. H.
Castro Neto
,
B.
Özyilmaz
,
S.
Adam
, and
G.
Eda
,
Phys. Rev. Lett.
116
(
4
),
046803
(
2016
).
97.
J.
Yin
,
P.
Maity
,
L.
Xu
,
A. M.
El-Zohry
,
H.
Li
,
O. M.
Bakr
,
J.-L.
Brédas
, and
O. F.
Mohammed
,
Chem. Mater.
30
(
23
),
8538
8545
(
2018
).
98.
A.
Popoola
,
N.
Maity
,
R.
Kashikar
,
S.
Lisenkov
, and
I.
Ponomareva
,
J. Phys. Chem. C
128
(
41
),
17806
17812
(
2024
).
You do not currently have access to this content.