光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.     

纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的最佳弱测量

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具,在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应,研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时(即最佳弱测量点),纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大,大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度;在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好,该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。     

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了当今凝聚态物理学的发展,它是一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应.近年来,大量的理论和实验研究表明,描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自旋霍尔效应,存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性.得益于新兴的光学材料:超构材料(metamaterials)的发展,不仅能够任意设定光学参数,同时也能引入很多复杂的自旋-轨道耦合机理,让我们能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理.本文对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍,内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等.     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

自旋霍尔纳米振荡器的非线性动力学及其应用

自旋霍尔纳米振荡器利用电流产生的自旋轨道力矩驱动磁性薄膜中磁矩进行高频进动，能在微纳尺度下实现全电学调控的相干自旋波和微波信号，是一类新型的纳米自旋电子学器件，在信息存储、处理和通信方面具有广泛的应用前景。基于强自旋轨道矩效应，人们近期在各类铁 磁/非磁重金属构成的双层薄膜结构中，已实现了多种不同自旋波模式的电学激发和调控，并对 其复杂的非线性动力学特性进行了深入的探究。基于这些前期的研究结果与最新的进展，我们在 本综述中对“对三角”结构的纳米间隙型、“蝴蝶结”型、纳米线型、垂直纳米点接触型以及阵 列等具有各类器件结构的自旋霍尔纳米振荡器所体现出来的丰富非线性动力学特性进行了详细讨 论与归纳，并对其在新型低能耗量子磁振子自旋器件和非冯诺依曼架构的自旋型人工神经网络计 算方面的潜在应用也进行了探讨。     

光子高阶轨道角动量制备、调控及传感应用研究进展

光子既是经典信息也是量子信息的理想载体. 单个光子不仅可以携带自旋角动量(与光波的圆偏振相关), 还可以携带轨道角动量(与光波的螺旋相位相关). 而轨道角动量的重要意义在于可利用单个光子的量子态构建一个高维的Hilbert空间, 从而实现高维量子信息的编码. 自Allen等于1992年确认光子轨道角动量的物理存在以来, 轨道角动量在经典光学和量子光学领域展现了诸多诱人的应用前景, 目前已成为国际光学领域的研究热点之一. 本综述将着重介绍高阶轨道角动量光束的制备与调控技术, 特别是高阶轨道角动量的量子纠缠态操控、旋转Doppler 效应测量及其在远程传感和精密测量技术中的应用.     

二维电介质光子晶体中量子自旋与谷霍尔效应共存的研究

基于量子自旋霍尔或谷霍尔效应的拓扑光子结构具有对缺陷免疫和抑制背向散射的特性,对设计新型低损耗的光子器件起到了关键作用.本文巧妙设计了一种具有时间反演对称性的二维电介质光子晶体,实现了量子自旋霍尔效应和量子谷霍尔效应的共存.首先基于蜂巢结构排布的硅柱经过收缩扩张,打开了布里渊区Γ点的四重简并点形成拓扑平庸或非平庸的光子带隙,实现量子自旋霍尔效应.经过扩张后的蜂巢晶格演化成为Kagome结构,之后在Kagome晶格中加入正负扰动,打破光子晶体的空间反演对称性,导致布里渊区的非等价谷K和K′的简并点打开并出现完整带隙,实现了量子谷霍尔效应.数值计算结果表明,由拓扑平庸与非平庸、正扰动与负扰动的光子晶体组成的界面上可实现单向传输且对弯曲免疫的拓扑边缘态.最后,设计了基于两种效应共存的四通道系统,此系统为光学编码与稳健信号传输提供潜在方法,为电磁波的操纵提供了更大的灵活性.     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

强关联电子系统中的热输运测量

当考虑电子间的库伦排斥相互作用,以及电荷、自旋和轨道之间的相互耦合时,诸多超越 了近自由电子框架的新奇量子态涌现而出,如非常规超导态和量子自旋液体等。对这些新奇物态 的认知不仅会拓展现有的知识框架,也有望引发新一轮的量子科技革命。因此,对强关联物理的 研究是当下凝聚态物理领域的前沿课题。铜基高温超导体的母体是一种莫特绝缘体,在传统的能 带论之下被预言为金属态。然而电子间的强关联行为使得它表现出绝缘体的性质。由于莫特绝缘 体中库伦相互作用致使能隙打开并冻结其中的电荷自由度,所以在该体系中难以开展电输运性质 的测量研究。作为一种对于元激发（不仅包括电子,还包括磁振子、自旋子等）敏感的探针,热输 运测量在强关联电子系统的研究中发挥着重要的作用。本文回顾了近些年在非常规超导、重费米 子系统和量子自旋液体研究中一些有趣的纵向热输运性质的研究成果,并与我们近期发表的运用 横向热导率测量热霍尔现象的综述文章相互补充。      

Spin-to-orbital angular momentum conversion in spin Hall effect of light

From the viewpoint of classical electrodynamics, we identify the role of spin-to-orbital angular momentum conversion in spin Hall effect (SHE) of light. We introduce a distinct separation between spin and orbital angular momenta to clarify the spin–orbital interaction in conventional beam refraction. We demonstrate that the refractive index gradient can enhance or suppress the spin-to-orbital angular momentum conversion, and thus can control the SHE of light. We suggest that the metamaterial whose refractive index can be tailored arbitrarily may become a good candidate for amplifying or eliminating the SHE of light, and by properly facilitating the spin-to-orbital angular momentum conversion the SHE may be enhanced dramatically. The transverse spatial shifts governed by the spin-to-orbital angular momentum conversion, provide us a clear physical picture to clarify the role of refractive index gradient in the SHE of light. These findings provide a pathway for modulating the SHE of light and can be extrapolated to other physical systems.     

Switching the direction of spin accumulation in the spin Hall effect of light by adjusting the optical axis of an uniaxial crystal

We theoretically and experimentally investigate a switchable spin Hall effect (SHE) of light in reflection near the Brewster angle at an air-uniaxial crystal interface. We find a large transverse spin splitting near the Brewster angle, whose sign can be altered by rotating the optical axis. As an analogy of the SHE in an electronic system, a switchable spin accumulation in the SHE of light is detected. We are able to switch the direction of the spin accumulation by adjusting the optical axis angle of the uniaxial crystal. These findings may give opportunities for photon spin manipulating and developing a new generation of nano-photonic devices.     

蒙特卡罗模拟光通过大气后的时间分布

采用蒙特卡罗方法模拟了光通过光学特性参数不同的大气后透射光时间分布.分析了大气的散射系数、吸收系数、不对称因子及折射率对透射光时间分布的影响.结果表明:透射光时间分布曲线存在两个峰,分别对应子弹光与漫射光.各光学参数界定了子弹光、蛇形光、漫射光的大小和时间范围,并从统计模拟的角度解释了折射率大的大气中难以成像的因为.     

Ce 基重费米子材料的电子态研究与维度调控

重费米子材料作为一类典型的强关联电子体系,蕴含着非常规超导、奇异金属、量子临界、 磁有序、重电子态、关联拓扑态等新奇的量子态,而4f 电子在其中扮演着重要的作用。随着高分 辨角分辨光电子能谱和薄膜生长技术的发展,精确探测重费米子材料中4f 电子在能量/动量空间 的色散和谱权重成为了可能,这为从微观上理解这类材料中的电子关联效应和新奇量子现象提供 了重要的基础。本论文总结了几个典型的重费米子单晶和薄膜体系的电子态研究,包括Ce-115 体 系、CeCu2Si2、CeRh6Ge4 以及单晶 Ce 膜等。这些结果为理解重费米子体系中重电子态的形成 和温度演化、近藤杂化的能带/动量依赖、重电子能带与超导的关系、近藤效应与磁性和其它量子 态的竞争、4f 电子的维度调控等重要物理问题提供了谱学证据。     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

Entanglement swapping with pure orbital angular momentum Bell-state analysis

We investigate a framework of an orbital angular momentum (OAM) entanglement swapping in a multi-dimensional Hilbert space with the spin angular momentum (SAM)-based orbital angular momentum (OAM) Bell-sate analysis. By the implementations of entanglement swapping with the SAM and OAM Bell-state measurements subsequently, the OAM entanglement states (qudits) are generated and then transferred between photons in multi-dimensional Hilbert space in a point-to-point fashion. In the proposed scheme, two pairs of the SAM-based OAM hybrid entanglement photons are deployed to conduct the successive SAM and OAM Bell-state measurements. It provides an alternative technique to transfer pure OAM Bell-states in qudits, which illustrates a possible experimental approach for devising a full repeater in a complex quantum computation network where entanglement swapping serves as a critical constituent.     

基于Pancharatnam-Berry相位和动力学相位调控纵向光子自旋霍尔效应

提出了一种基于Pancharatnam-Berry相位和动力学相位操控纵向光子自旋霍尔效应的方法.理论分析表明:当光场通过一个由Pancharatnam-Berry相位透镜和动力学相位透镜构成的透镜组时,透镜组会存在两个自旋相关的焦点.首先,当左旋和右旋圆偏振光通过微结构相位延迟为π的Pancharatnam-Berry相位透镜时,由于Pancharatnam-Berry相位的自旋相关性,两个圆偏振分量会获得符号相反的Pancharatnam-Berry相位而导致其中一个被聚焦而另一个发散.然后,在Pancharatnam-Berry相位透镜后再插入普通透镜引入动力学相位调制,由于动力学相位是自旋无关,使得这一透镜组,可以在合适的条件下使不同自旋态的光子分别聚焦于纵向上不同焦点处.纵向自旋分裂由两透镜焦距及间距共同决定,因此可以通过改变两个透镜的焦距及其间距获得任意的纵向自旋分裂值.最后,搭建了一套实验装置,所得实验结果与理论结果一致.     

Twisted optical communications using orbital angular momentum

Angular momentum, a fundamental physical quantity, can be divided into spin angular momentum(SAM) and orbital angular momentum(OAM) in electromagnetic waves. Helically-phased or twisted light beams carrying OAM that exploit the spatial structure physical dimension of electromagnetic waves have benefited wide applications ranging from optical manipulation to quantum information processing. Using the two distinct properties of OAM, i.e., inherent orthogonality and unbounded states in principle, one can develop OAM modulation and OAM multiplexing techniques for twisted optical communications. OAM multiplexing is an alternative space-division multiplexing approach employing an orthogonal mode basis related to the spatial phase structure. In this paper, we review the recent progress in twisted optical communications using OAM in free space and fiber. The basic concept of momentum, angular momentum, SAM, OAM and OAM-carrying twisted optical communications,key techniques and devices of OAM generation/(de)multiplexing/detection, high-capacity spectrally-efficient free-space OAM links, fiber-based OAM links, and OAM processing functions are presented. Ultra-high spectral efficiency and petabit-scale freespace data links are achieved benefiting from OAM multiplexing. The key techniques and challenges of twisted optical communications are also discussed. Twisted optical communications using OAM are compatible with other existing physical dimensions such as frequency/wavelength, amplitude, phase, polarization and time, opening a possible way to facilitate continuous increase of the aggregate transmission capacity and spectral efficiency through N-dimensional multiplexing.