发现光学新定律!深圳大学教授在国际顶级学术期刊发表重要成果

近日，深圳大学袁小聪教授团队的纳米光子学研究中心在自旋光子学领域取得了重要原创成果，于2021年2月1日在国际顶级学术期刊美国科学院院报Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上发表了题为“Transverse spin dynamics in structured electromagnetic guided waves”的文章，该中心石鹏助理教授、杜路平教授为共同第一作者，杜路平教授、袁小聪教授以及英国伦敦大学国王学院Anatoly. V. Zayats教授是共同通讯作者，深圳大学为该文章的第一单位和第一通讯单位。

自惠更斯和爱因斯坦的前瞻性工作以来，光被广泛认可其具有波粒二象性。其中，光的波动特性体现在光具有振幅、相位、偏振等自由度。所有经典的光波动力学现象，包括传播、色散、散射、衍射、干涉、和物质相互作用等，都源于光场的波动特性并可以用麦克斯韦方程组来描述。此外，光具有粒子特性，因此也具有动量、自旋角动量和轨道角动量自由度。一般来说，光学自旋角动量与左右旋圆偏振光相关联，且其方向与光场传播方向相平行，因此可以看作纵向自旋。近年来，通过对近场光场的深入研究，科学家发现了另一种自旋矢量的方向与光场传播方向垂直的自旋形态：横向自旋。横向自旋广泛存在于结构光场中，且具有单向性激发和散射的特性，在传感，纳米计量和鲁棒性的单向辐射量子器件等应用领域有着重要的应用前景。同时，对横向自旋的研究拓展了光学自旋轨道相互作用理论的范畴，开拓了自旋光学一个新的研究领域。但是长久以来，基于横向自旋的理论研究，仍存在一些尚待解决的问题，比如横向自旋的产生机理和横向自旋的界定，从而限制了横向自旋光学领域的进一步发展。

针对横向自旋的研究，深圳大学纳米光子学研究中心研究团队通过研究近场光场的光学自旋轨道耦合，发现了对于任意限制光场都适用的内秉的光学自旋动量定律。该定律首先揭示了光场横向自旋的产生源自于光场的动量不均匀性，并与动量的横向梯度成正比。反过来，该自旋动量定律也可用来界定横向自旋。其次，该定律预示了任意结构光场的自旋和动量之间的绑定关系，可以类比电子系统的自旋动量绑定。这是在国际上首次发现并报道了结构光场的自旋动量绑定性质并揭示横向自旋的产生机理。而且，通过该自旋动量绑定方程，研究团队构造了一组类麦克斯韦方程组的自旋动量方程组。过去，研究人员都是通过光的电磁场性质来衡量光场的自旋轨道相互作用。该自旋动量方程的发现，使得研究人员可以挣脱原有的框架，在不了解任何光的电磁场性质的情况下，通过赫兹势来表征近场光场的自旋动量关系和自旋轨道相互作用。

更有意思的是在应用领域，该自旋动量方程组揭示了光学手性拓扑孤立子（如：光学斯格明子，光学半子）的产生机理，光学自旋态沿着光子动量的方向从向上（或向下）的态逐渐转变为向下（或向上）的态，且它们之间满足右手定则。该横向自旋构造的光学手性拓扑孤立子在光学计量，光学传感，光学存储和量子信息处理等领域具有广泛的应用前景。

据了解，该研究得到广东省基础与应用基础重大项目（项目号：2020B0301030009），国家自然科学基金重点项目（项目号：61935013）、国家自然科学基金-广东省联合项目集成项目（项目号：U1701661），广东省领军人才项目（项目号：00201505）、特支计划，深圳市布局项目等资助。

该研究成果链接：https://www.pnas.org/content/118/6/e2018816118

【整理】蔡敏玲

【作者】

【来源】 南方报业传媒集团南方+客户端