微纳螺旋凹槽结构检测光子自旋角动量

建立螺旋凹槽结构模型,具有不同自旋角动量的光束入射到该结构后激发表面等离激元,螺旋凹槽结构的螺旋性与光子自旋角动量耦合,使得不同自旋偏振光激发的表面等离激元具有不同的强度分布.通过螺旋凹槽激发的表面等离激元的强度分布获得入射光的自旋角动量.利用有限元方法计算了左旋偏振光与右旋偏振光激发的表面等离激元在螺旋凹槽中心的光场强度比,最大消光比达到168,实现对光子的自旋角动量的检测.在数值仿真中,分析了不同入射光波长的消光比,入射光波长在600～740nm范围内消光比高于50,其中入射光波长为670nm时的检测效果最佳;此外,研究螺旋凹槽结构参量对消光比的影响,当凹槽宽度为200nm,凹槽深度为70nm,匝数为2时,消光比最大,螺旋凹槽结构检测光子自旋角动量的能力最强.该研究可为集成光学中光子自旋角动量的检测提供一种新途径.     

光子飓风——具有光子横向轨道角动量的时空涡旋

<正>众所周知,光子具有沿传播方向的线性动量。光子的线性动量在光与物质的相互作用中具有重要的作用。光子与物质的动量交换可以产生光压。2018年获得诺贝尔物理学奖的光镊技术基于微纳米颗粒对光子动量改变产生的光场梯度力。光子也具有沿传播方向的角动量,包括与圆偏振相关的自旋角动量和与涡旋相位关联的轨道角动量。近年来,研究表明在高数值孔径聚焦光场和隐失波光场中存在垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量[1]。那么是否存在垂直于光束传播方向的光子横向轨道角动量呢(图1)?我们最新的研究给出了肯定的答案,成果发表于《自然—光子学》[2]。     

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.     

关于光子角动量问题的来信

关于光子角动量问题的来信一编辑同志：光子角动量作为学术问题，早在３０年代已陆续得到解决［１］．然而，国内外一些教材对此问题常常叙述得不准确或不完全．《大学物理》１９９６年第１期陈印椿“光子的动量矩”［２］一文对光子角动量中轨道矩和自旋的不可区分这个原...     

相对论涡旋高次谐波的产生与调控理论研究

目前,具有螺旋相位波前和环状光强分布的涡旋光束已在光学领域获得了广泛应用,其产生与调控自然成了研究的热点。利用三维粒子模拟程序对双色拉盖尔高斯激光驱动固体等离子激发同时携带自旋角动量与轨道角动量的高次谐波的物理过程进行了研究,根据高次谐波产生过程中的光子能量与角动量守恒定律对其内在物理机制进行了理论分析,并讨论了对谐波阶次、偏振态（自旋角动量）以及拓扑荷数（轨道角动量）进行调控的方法。研究结果为开发高亮度、超短超快、短波长、自旋与轨道角动量可调控的涡旋光束辐射源提供了理论依据,在光学微操控、超分辨成像、光通信以及离子加速等领域具有较大的实际应用前景。     

原子辐射的偏振性

置于磁场中的受激原子所发射的光是偏振光,光的偏振性与发射的方向有关.沿磁场方向发射的光是左旋圆偏振光和右旋圆偏振光;沿垂直于磁场方向发射的光是在磁场方向上线偏振的光和在垂直于磁场方向上线偏振的光.我们以原子从初态L=1到末态L=0跃迁的辐射为例,说明原子辐射的偏振性. 原子的辐射过程是发射光子的过程.光子带有一定的能量、动量和自旋角动量(自旋角量子数为1).原子发射光子的过程必须满足相应的守恒定律.原子辐射的偏振性正是由角动量守恒定律所决定的. 取磁场方向为Z轴,初态L=1的原子角动量相对于Z轴有三个取向,磁量子数M一十…     

电子自旋是角动量的讨论

从施特恩-盖拉赫实验测量的结果电子自旋只有两种取值出发,在不引入自旋算符的具体矩阵表示的情况下,利用矩阵求迹,导出自旋算符和轨道角动量算符满足完全相同的对易关系,从而说明自旋与轨道角动量同类,属于角动量.区别于历史上和国内外量子力学教材中直接将自旋归为角动量,本文尝试用"物以类聚"的逻辑对自旋是角动量进行讨论.     

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.     

塞曼效应中谱线的偏振

本文从量子力学关于测量的基本原理，光子的自旋状态以及原子在辐射过程中角动量守恒的角度出发，全面解释了塞曼效应中谱线的偏振现象，不仅包括了观察的纵效应和横效应，还包括了斜向效应。     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

Theory of Bose-Einstein condensation of light in a microcavity

A theory of Bose-Einstein condensation (BEC) of light in a dye microcavity is developed. The photon polarization degeneracy and the interaction between dye molecules and photons in all of the cavity modes are taken into account. The theory goes beyond the grand canonical approximation and allows one to determine the statistical properties of the photon gas for all numbers of dye molecules and photons at all temperatures, thus describing the microscopic, mesoscopic, and macroscopic light BEC from a general perspective. A universal relation between the degrees of second-order coherence for the photon condensate and the polarized photon condensate is obtained. The photon Bose-Einstein condensate can be used as a new source of nonclassical light.     

光子偏振度受大气散射影响的分析

采用矩阵形式描述光子的偏振态和大气散射理论, 分析了“BB84协议”中四个不同偏振光子经单次散射后光子的偏振度与前向散射角的关系。发现单次散射不改变偏振光子的总偏振度, 但改变偏振光子的线偏振度与圆偏振度, 尤其对垂直偏振光子的线偏振度与圆偏振度改变明显; 当前向散射角小于0.25 rad时, 四个不同偏振光子的线偏振度基本保持不变, 量子信息仍然保持; 同时分析了大气散射对不同波长的垂直偏振光子线偏振度的影响, 发现长波光子偏振度保持度高。     

Optimal quantum cloning on a beam splitter

We demonstrate how a beam splitter in combination with different light sources can be used as an optimal universal 1-->2 quantum cloner and as an optimal universal quantum NOT machine for the polarization qubit of a single photon. For the cloning a source of single photons with maximally mixed polarization is required and for the NOT operation a source of maximally entangled photon pairs. We demonstrate both operations with near optimal fidelity. Our scheme can be generalized in a natural way to clone and NOT the spin state of electrons.     

Photon polarization as a probe for quark–gluon plasma dynamics

Prospects of measuring polarized photons emitted from a quark–gluon plasma (QGP) are discussed. In particular, the detection of a possible quark spin polarization in a QGP using circularly polarized photons emitted from the plasma is studied. Photons leave the QGP without further interaction and thus provide a primary probe for quark polarization within the QGP. We find that photon polarization cannot solely arise due to a possible QGP momentum space anisotropy, but may be enhanced due to it. In particular, for oblate momentum distributions and high photon energies, quark polarization is efficiently transfered to photon polarization. The role of competing sources of polarized photons in heavy-ion collisions is discussed.     

Photon Angular Distribution and Polarization of Radiative Recombination

A systematic study is carried out on the angular distribution and polarization of photons emitted following radiative-recombination of bare and He-like ions of Ne, At, Ni and Mo with a unidirectional electron beam. In order to incorporate the screening effect due to inner-shell electrons, a distorted wave method is used. Scaling rules for polarization of the photon following radiative recombination to both bare and He-like ions are given for the incident energy regions up to six times the ionization threshold energy of the final state.     

光学体系宏观-微观纠缠及其在量子密钥分配中的应用

宏观-微观纠缠最早起源于“薛定谔的猫”思想实验, 是指在宏观体系与微观体系之间建立量子纠缠. 实现宏观-微观纠缠可以利用多种物理体系来完成, 本文重点介绍了在光学体系中制备和检验宏观-微观纠缠的发展过程. 从最初的受激辐射单光子量子克隆到光学参量放大, 再到相空间的位移操作, 实验上制备宏观-微观纠缠的方法取得了长足的进步. 利用非线性光学参量放大过程制备的宏观-微观纠缠的光子数可以达到10⁴量级, 人眼已经可以观察到, 因此使用人眼作为探测器来检验宏观-微观纠缠的实验开始出现. 但随后人们意识到, 粗精度的光子数探测器, 例如人眼, 无法严格判定宏观-微观纠缠的存在. 为了解决这个难题, 提出了一种巧妙的方法, 即在制备宏-微观纠缠后, 利用局域操作过程将宏观态再变为微观态, 通过判定微观纠缠存在的方法来判定宏微观纠缠的存在. 之后相空间的位移操作方法将宏观态的粒子数提高到10⁸, 并且实现了纠缠的严格检验. 利用光机械实现宏观-微观纠缠的方案也被提出. 由于量子密钥分配中纠缠是必要条件, 而宏观-微观纠缠态光子数较多这一优势可能会对量子密钥分配的传输距离有所提高. 本文介绍了利用相位纠缠的相干态来进行量子秘钥分配的方案, 探讨了利用宏观-微观纠缠实现量子密钥分配的可能性.     

基于自发参量下转换源二阶激发过程产生四光子超纠缠态

目前,多光子纠缠态的制备大多通过线性光学器件演化自发参量下转换一阶激发过程产生的纠缠光子对得到.本文考虑由自发参量下转换源二阶激发产生四个不可区分的纠缠光子制备四光子超纠缠态的情况.通过几组分束器、半波片和偏振分束器等线性光学器件设计量子线路演化四光子系统,结合四模符合探测,可得到同时具有偏振纠缠和空间纠缠的四光子超纠缠态.     

基于交叉相位调制制备四光子偏振纠缠态及其在隐形传态上的运用

利用克尔介质、偏振分束器、半波片和对强相干探测场的零拍探测,呈现了一个关于制备四光子偏振Diche态、GHZ态和W态的方案,当前量子光学实验技术条件均能有效满足该方案的要求.强的探测模相继和多个信号模光子相互作用,每次对于探测模而言,都会产生一个相位旋转.接下来,对探测模利用零拍探测,信号模可以投影得到想要的光子偏振纠缠态.此外,为了展现所制备的纠缠态作为重要的量子信息资源的价值,基于交叉相位调制进一步提出了一个隐形传送三光子偏振纠缠态的实验方案.     

Application of radiative electron capture for the diagnostics of spin-polarized ion beams at storage rings

It is proposed to apply the radiative electron capture into high-Z projectiles as a probe process for measuring the spin polarization of the hydrogenlike ions at storage rings. We argue that such polarization measurements are possible since the linear polarization of emitted x-ray photons is greatly sensitive to the spin states of incoming ions with nuclear spin I > 1/2. In particular, for K-shell electron capture into the hydrogenlike ions, the linear polarization of light as measured out of the reaction plane is found to be proportional to the degree of ion polarization. Detailed computations for the dependence of the photon polarization on the ion spin states and projectile energies are carried out for the electron recombination into hydrogenlike Bi 82+ ions.