我校微納光電子學(xué)研究院袁小聰教授領(lǐng)導(dǎo)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2021年2月1日在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊美國(guó)科學(xué)院院報(bào)《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上發(fā)表了題為《Transverse spin dynamics in structured electromagnetic guided waves》的文章。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(guó)倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院Anatoly. V. Zayats教授為共同通訊作者，深圳大學(xué)是該文章的第一單位和第一通訊單位。
自惠更斯和愛(ài)因斯坦的前瞻性工作以來(lái)，光被廣泛認(rèn)可其具有波粒二象性。光的波動(dòng)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(dòng)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(chǎng)的波動(dòng)特性并可以用麥克斯韋方程組來(lái)描述。光的粒子特性使其具有動(dòng)量、自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量自由度。一般來(lái)說(shuō)，光學(xué)自旋角動(dòng)量與左右旋圓偏振光相關(guān)聯(lián)，且其方向與光場(chǎng)傳播方向相平行，因此可以看作縱向自旋。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)近場(chǎng)光場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)中，且具有單向性激發(fā)和散射的特性，在傳感、納米計(jì)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(shí)，對(duì)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(kāi)拓了自旋光學(xué)一個(gè)新的研究領(lǐng)域。但是長(zhǎng)久以來(lái)，基于橫向自旋的理論研究仍存在一些尚待解決的問(wèn)題，比如橫向自旋的產(chǎn)生機(jī)理和橫向自旋的界定，限制了橫向自旋光學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
針對(duì)橫向自旋的研究，我校微納光電子學(xué)研究院納米光子學(xué)研究中心團(tuán)隊(duì)通過(guò)近場(chǎng)光場(chǎng)的光學(xué)自旋軌道耦合研究，發(fā)現(xiàn)了對(duì)于任意限制光場(chǎng)都適用的內(nèi)秉光學(xué)自旋動(dòng)量定律。該定律首先揭示了光場(chǎng)橫向自旋的產(chǎn)生源于光場(chǎng)的動(dòng)量不均勻性，并與動(dòng)量的橫向梯度成正比；因此，該自旋動(dòng)量定律反過(guò)來(lái)可用于界定橫向自旋。其次，該定律預(yù)示了任意結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的自旋和動(dòng)量之間的綁定關(guān)系，可以類比電子系統(tǒng)的自旋動(dòng)量綁定。這是在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了結(jié)構(gòu)光場(chǎng)的自旋動(dòng)量綁定性質(zhì)并揭示橫向自旋的產(chǎn)生機(jī)理。研究團(tuán)隊(duì)更進(jìn)一步通過(guò)該自旋動(dòng)量綁定方程，構(gòu)造了一組類麥克斯韋方程組的自旋動(dòng)量方程組。此前，研究人員都是通過(guò)光的電磁場(chǎng)性質(zhì)來(lái)衡量光場(chǎng)的自旋軌道相互作用。該自旋動(dòng)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(chǎng)性質(zhì)的情況下，通過(guò)赫茲勢(shì)來(lái)表征近場(chǎng)光場(chǎng)的自旋動(dòng)量關(guān)系和自旋軌道相互作用。
更有意思的是在應(yīng)用領(lǐng)域，該自旋動(dòng)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(dòng)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。該橫向自旋構(gòu)造的光學(xué)手性拓?fù)涔铝⒆釉诠鈱W(xué)計(jì)量、光學(xué)傳感、光學(xué)存儲(chǔ)和量子信息處理等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
該研究成果鏈接：https://www.pnas.org/content/118/6/e2018816118
該研究得到廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)重大項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：2020B0301030009），國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：61935013）、國(guó)家自然科學(xué)基金-廣東省聯(lián)合項(xiàng)目集成項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：U1701661），廣東省領(lǐng)軍人才項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：00201505）、特支計(jì)劃，深圳市孔雀團(tuán)隊(duì)，深圳市布局項(xiàng)目等資助。
（微納光電子學(xué)研究院 供稿）
