本文由论文作者团队投稿
导读
日常经验中，布朗运动系统展现的是高度无序：悬浮微粒在液体中随机运动、碰撞、扩散，整个系统显得杂乱无章。传统观点认为，在这种高度随机的环境中，光经过多次散射后，其偏振和自旋信息会迅速被“搅拌殆尽”，难以保留任何有序结构。然而，发表于 Nature Materials 的最新研究挑战了这一认知，揭示在布朗扩散体系中，光的自旋信息不仅能够存在，甚至能在宏观尺度上形成可观测的“自旋锁定”（spin-locking）现象。
该研究融合统计物理与纳米光子学，系统探索了光在无序散射体系中的自旋演化规律。研究表明，即便经历多次散射，统计平均后的自旋分量仍可在空间上形成有序模式，为理解宏观自旋结构提供了全新视角。
相关研究成果以“Brownian spin-locking effect”为题发表于Nature Materials。上海交通大学物理与天文学院张晓， 陈陪阳为论文共同第一作者。上海交通大学王波副教授、陈险峰教授以及以色列理工学院Erez Hasman教授为论文通讯作者。论文合作者还包括了上海交通大学物理与天文学院李美同学和同济大学施宇智教授。
宏观自旋锁定的发现
光的自旋角动量对应其圆偏振态。实验中，研究团队将一束平面偏振激光正入射至金纳米颗粒溶液中，并在与入射方向垂直的平面上采集散射光。结果显示，空间清晰地分为两个扩散区：一侧左旋自旋占优，另一侧右旋自旋占优，呈现出镜像对称分布（图1）。
这一现象表明，无序散射事件并未完全破坏光的自旋，而是在统计意义上“组织”出了宏观秩序。换言之，光的自旋信息在随机散射的背景下依然能够被“锁定”，如同在嘈杂宴会中仍可辨识特定旋律。
图1：光在布朗运动颗粒系统中自旋锁定效应的实验结果，在动态随机介质中的光自旋劈裂程度是波长的数千倍
图源：Nature Materials
两步散射模型：从微观到宏观
实际散射体系包含巨量纳米颗粒，计算量远超常规算力。为此，研究团队提出两步散射模型（图2），成功解释了该现象：
（1）单颗粒散射阶段： 位于激光照明区的纳米颗粒与入射光场相互作用，形成“辐射性自旋场”（radiative spin fields）。电磁场激发球形纳米颗粒，其非同相的多级子共振响应会产生奇异的自旋结构。特别值得注意的是，该自旋结构垂直于入射动量方向被观测到，完全无需结构各向异性或手性。
（2）二次散射阶段： “辐射性自旋场”传播至扩散区域，与该区域的纳米颗粒相互作用。众多纳米颗粒的随机运动引起光的非相干散射。大量散射事件非相干叠加后，自旋分量在统计平均下得以“幸存”，并在空间的特定方向上形成宏观锁定模式。
图2：光自旋锁定效应理论
图源：Nature Materials
实验设计表征
研究团队深入探索了自旋锁定效应，并基于该效应开发了一种创新性的纳米颗粒自旋分辨光谱测量技术。
（1）粒子尺寸与材料：决定散射方式，塑造自旋图案
不同直径（图1eg）、不同材料的纳米颗粒会表现出不同的散射特性，这些差异会进一步影响宏观自旋的空间分布。
（2）曝光时间与布朗运动：自旋锁定判据
在含有纳米颗粒的随机介质中，颗粒不停的布朗运动会不断改变光的散射路径。相机的曝光时间越长，光场被时间平均的程度越高，这种“曝光时间 vs. 布朗运动”的竞争，会直接决定我们在图像中看到的自旋模式。布朗运动提供“随机”，曝光时间提供“平均”，二者的竞争决定了最终能否看见稳定的自旋结构。
短曝光（远短于布朗运动时间）
散射介质几乎是静止的，光的干涉结构非常细腻，因而自旋分布波动剧烈、布满“噪声”，自旋无法锁定。
曝光时间接近布朗运动时间
粒子的随机运动与相机的采集速度相当，快变化的干涉结构开始被平均掉，自旋波动明显减小，自旋被锁定（图3）。
图3：自旋锁定判据
图源：Nature Materials
长曝光（远长于布朗运动时间）
整个散射过程被充分平均，光场变得稳定均匀，最终形成两个清晰、稳定的宏观自旋区域，自旋锁定效应完全显现。
(3) 不同偏振态的光子自旋锁定效应
入射光的偏振态决定了第一次散射的方向和自旋特征，从而实现对宏观自旋场的精准调控。更值得注意的是，即使使用完全非偏振光，系统仍然能够产生稳定的自旋锁定效应！（图4）原因是：在散射过程中，纳米颗粒对不同偏振分量的响应并不相同，从而在随机散射中“筛选”出具有一定偏振偏向的光场。长时间曝光会进一步平均随机噪声，从而留下稳定的自旋方向。这表明该效应具有极强的鲁棒性，不依赖于精细的入射偏振控制，在复杂光场和随机介质中也能实现稳定的自旋调控。
图4：非偏振光的光子自旋锁定效应
图源：Nature Materials
(4) 自旋光谱分辨技术：高精度纳米颗粒测量的新路径
基于上述物理机制，研究团队开发了一种自旋光谱分辨测量技术（图5）。该技术利用傍轴光学系统分析随机散射光的自旋光谱分布，从而反推出颗粒的尺寸特征。测量精度可达 99%，为表征纳米颗粒提供了一种全新的、高灵敏度的光学手段。
图5：自旋光谱分辨技术
图源：Nature Materials
宏观自旋锁定的潜在应用
宏观自旋锁定效应的发现不仅具有基础科学价值，也为技术应用提供了新方向：
（1）跨体系普适性探索
该效应为在经典与量子波动系统中寻找类似现象提供了新思路。
（2）光学指纹识别
自旋锁定分布可以作为纳米粒子特性的“光学指纹”，用于反推粒子尺寸、折射率。
（3）无损测量技术
利用统计自旋信息，可发展新型光学无损测量方法，实现对复杂介质或微粒的实时监测。
（4）光信息编码与传输
自旋锁定结构可作为光场信息的新维度，用于光通信、量子信息和高维光子学研究。
总结与展望
该研究团队首次在具有时空无序的布朗运动介质中观测到了光子自旋锁定现象。这一突破不仅拓展了光学散射基础认知，也为无损测量、光信息处理和光子学设计提供了全新思路：在表面无序的布朗世界中，光的自旋依然能“保持方向感”。未来可进一步优化模型、拓展技术应用，并探索无序体系中更多潜在的宏观量子效应。
论文信息
Zhang, X., Chen, P., Li, M. et al. Brownian spin-locking effect. Nat. Mater. (2025).
https://doi.org/10.1038/s41563-025-02413-5
