前沿|旋转的光子自旋霍尔效应

图1 基于Pancharatnam-Berry (PB)相位超表面实现旋转自旋相关分裂的示意图。

1. 导读

光子自旋霍尔效应（photonic spin Hall effect, PSHE）是指光束穿过光学界面或者非均匀介质后，具有相反自旋角动量的光子发生横向自旋分离，在空间中表现为自旋相关的分裂。光子自旋霍尔效应不仅为操纵自旋光子提供了一种新的手段，而且在光学模拟运算、显微成像、精密测量、生物传感等领域具有重要的应用价值。发展基于光子自旋霍尔效应的应用前提和关键是实现光子自旋霍尔效应多维度灵活和高效的操控。然而，研究大多只关注横向或纵向的单一维度操控，这一限制严重阻碍了基于光子自旋霍尔效应相关应用的发展。

针对以上问题，湖南理工学院柯友刚副教授课题组与湖南师范大学周新星副教授课题组、深圳大学陈宇副教授课题组合作，在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种三维空间中的旋转的光子自旋霍尔效应。如图1所示，该效应可利用Pancharatnam-Berry（PB）相位介电超表面来产生。通过在超表面设计中引入动力学相位，可进一步实现对不同自旋态光子的独立控制。文章从理论和仿真两方面出发，分别采用菲涅尔衍射积分法和时域有限差分法方法（FDTD）演示了旋转的光子自旋霍尔效应，结果显示出较好的一致性。

该项工作为自旋光子的多维主动操纵提供了一种灵活而有力的办法，在光信息处理和生物显微等领域具有潜在的应用前景。

2. 研究背景

在光子自旋霍尔效应的研究中，大量的研究工作集中在横向或纵向上的一维调控，这严重限制了不同自旋态光子的多维操纵。此外，绝大多数光子自旋霍尔效应的研究结果显示，分离后的自旋光子形成的光斑图案形态单一，且在传输过程中其动态变化能力相对有限。因此，当前面临的核心问题在于如何实现对不同自旋态光子在多维空间中的动态调控。

最近，振荡的光子自旋霍尔效应被提出。该效应可以使相反手性的自旋光子分离轨迹在三维空间中呈现周期性的变化，为自旋光子的多维操控提供了新思路。然而，上述效应中，入射光束被分成两个圆形光斑，并且这两个光斑在横向上会发生周期性的交叠，不便于我们从横截面轮廓准确地判断光束的传播距离。此外，光子自旋霍尔效应形成的光斑具有无衍射、自愈特性，有利于散射环境下基于光子自旋霍尔效应的应用。

3. 创新研究

基于上述问题，团队研究人员首先在自旋分裂图样上选择了一种瓣状形态。该瓣状光束具有无衍射和自愈特性，在长距离传输过程中不易受到环境的干扰。同时，瓣状光束的形态也使得其具有更高的辨识度。通过对PB相超表面的合理设计，实现了如下现象：线性偏振光束入射到超表面时，会在超表面透射一侧分裂为两个自旋相关的瓣状光束，如图2所示。

这两个瓣状光束均会发生自旋转，旋转方向由入射光子的手性控制，并且旋转角度随传输距离的改变而改变。当达到一定传输距离时，两个自旋相关的瓣状光束不再旋转。此时，两者之间的张角保持为180°。此外，当使用两片超表面级联时，瓣状光束的转动角度可以通过改变这两片超表面之间的相对旋转角度来进行调节。在基于PB相单层介电超表面的基础上，进一步引入动力学相位，实现对自旋相关的瓣状光束的花瓣数量和旋转角度的独立控制，如图3所示。

图3 基于PB相位和动力学相位集成超表面实现非对称的旋转光子自旋霍尔效应。

4. 应用与展望

该研究成果以“Rotational photonic spin Hall effect”为题在线发表在Nanophotonics上。

本文的作者分别是Yougang Ke, Yongfeng Bian, Qiang Tang, Jibo Tian, Linzhou Zeng, Yu Chen, and Xinxing Zhou。其中，Linzhou Zeng 和 Xinxing Zhou副教授为共同通讯作者。该项工作获得了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、湖南省自然科学基金的资助。