納米光子學(xué)研究中心在自旋光子學(xué)領(lǐng)域取得了重要原創(chuàng)成果

近日，深圳大學(xué)袁小聰教授團(tuán)隊的納米光子學(xué)研究中心在自旋光子學(xué)領(lǐng)域取得了重要原創(chuàng)成果，于2月1日在國際頂級學(xué)術(shù)期刊美國科學(xué)院院報上發(fā)表文章。該成果在光學(xué)計量、光學(xué)傳感、光學(xué)存儲和量子信息處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

自惠更斯和愛因斯坦的前瞻性工作以來，光被廣泛認(rèn)可其具有波粒二象性。其中，光的波動特性體現(xiàn)在光具有振幅、相位、偏振等自由度。所有經(jīng)典的光波動力學(xué)現(xiàn)象，包括傳播、色散、散射、衍射、干涉、和物質(zhì)相互作用等，都源于光場的波動特性并可以用麥克斯韋方程組來描述。此外，光具有粒子特性，因此也具有動量、自旋角動量和軌道角動量自由度。一般來說，光學(xué)自旋角動量與左右旋圓偏振光相關(guān)聯(lián)，且其方向與光場傳播方向相平行，因此可以看作縱向自旋。

近年來，通過對近場光場的深入研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了另一種自旋矢量的方向與光場傳播方向垂直的自旋形態(tài)：橫向自旋。橫向自旋廣泛存在于結(jié)構(gòu)光場中，且具有單向性激發(fā)和散射的特性，在傳感、納米計量和魯棒性的單向輻射量子器件等應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。同時，對橫向自旋的研究拓展了光學(xué)自旋軌道相互作用理論的范疇，開拓了自旋光學(xué)一個新的研究領(lǐng)域。但是長久以來，基于橫向自旋的理論研究，仍存在一些尚待解決的問題，比如橫向自旋的產(chǎn)生機(jī)理和橫向自旋的界定，從而限制了橫向自旋光學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

針對橫向自旋的研究，深圳大學(xué)納米光子學(xué)研究中心研究團(tuán)隊通過研究近場光場的光學(xué)自旋軌道耦合，發(fā)現(xiàn)了對于任意限制光場都適用的內(nèi)秉的光學(xué)自旋動量定律。

該定律首先揭示了光場橫向自旋的產(chǎn)生源自于光場的動量不均勻性，并與動量的橫向梯度成正比。反過來，該自旋動量定律也可用來界定橫向自旋。其次，該定律預(yù)示了任意結(jié)構(gòu)光場的自旋和動量之間的綁定關(guān)系，可以類比電子系統(tǒng)的自旋動量綁定。這是在國際上首次發(fā)現(xiàn)并報道了結(jié)構(gòu)光場的自旋動量綁定性質(zhì)并揭示橫向自旋的產(chǎn)生機(jī)理。而且，通過該自旋動量綁定方程，研究團(tuán)隊構(gòu)造了一組類麥克斯韋方程組的自旋動量方程組。過去，研究人員都是通過光的電磁場性質(zhì)來衡量光場的自旋軌道相互作用。該自旋動量方程的發(fā)現(xiàn)，使得研究人員可以掙脫原有的框架，在不了解任何光的電磁場性質(zhì)的情況下，通過赫茲勢來表征近場光場的自旋動量關(guān)系和自旋軌道相互作用。

在應(yīng)用領(lǐng)域，該自旋動量方程組揭示了光學(xué)手性拓?fù)涔铝⒆樱ㄈ纾汗鈱W(xué)斯格明子，光學(xué)半子）的產(chǎn)生機(jī)理，光學(xué)自旋態(tài)沿著光子動量的方向從向上（或向下）的態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛳拢ɑ蛳蛏希┑膽B(tài)，且它們之間滿足右手定則。

該中心石鵬助理教授、杜路平教授為共同第一作者，杜路平教授、袁小聰教授以及英國倫敦大學(xué)國王學(xué)院Anatoly. V. Zayats教授是共同通訊作者，深圳大學(xué)是該文章的第一單位和第一通訊單位。

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