近日，暨南大学物理与光电工程学院朱文国、钟永春教授团队首次提出电光效应诱导的可重构Pancharatnam-Berry（PB）相位，实现了高速可调谐光自旋霍尔效应。该研究为几何相位和光子自旋操控提供了高速、灵活的新手段。相关成果以“Photonic Spin Hall Effect by Electro-optically Induced Pancharatnam-Berry Phases”为题发表在Physical Review Letters上，文章入选Editors' Suggestion。暨南大学物理与光电工程学院硕士生谢星亮为论文的第一作者，暨南大学物理与光电工程学院朱文国教授、钟永春教授为论文的共同通讯作者，该项研究工作受到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金的资助。
在经典物理中，霍尔效应是电流在磁场中偏转的现象。而在光子世界中，类似的效应被称为光自旋霍尔效应（photonic spin Hall effect, PSHE）——当光通过特定介质时，左旋和右旋圆偏振光（LCP和RCP）会因自旋角动量的不同而朝相反方向分离，彼此“分道扬镳”。这一现象与几何相位密切相关，具体是Pancharatnam-Berry（PB）相位和Rytov-Vladimirskii-Berry（RVB）相位。前者源于偏振态在庞加莱球上的演化路径，后者与光的传播方向变化相关。
传统实现PSHE的方法主要依赖液晶或超表面等静态结构。这些材料通过空间排布各向异性单元产生固定的PB相位，从而实现光子自旋分离。然而，其分离距离无法动态调控，且调制速度受限于材料响应时间（通常仅为kHz级别）。如何实现高速的可重构几何相位和光子自旋调控，一直是光学领域的难题。
图1 电光诱导PB相位的光自旋霍尔效应示意图
电场“扭转”晶体折射率椭球主轴
钽酸锂（LiTaO3）是一种具有优异电光特性的晶体材料。LiTaO3晶体在被施加电场时，其折射率椭球主轴发生旋转。该研究通过非对称电极对，在晶体表面构造空间不均匀的电场分布，使晶体的折射率椭球主轴方向沿空间位置（y轴）逐渐旋转，形成PB相位梯度。通过调节电压大小，PB相位的空间分布可被动态重新排布，从而灵活控制光子自旋的分离距离。这一机制突破了传统超表面和液晶的静态限制，为高速调控奠定了基础。
研究团队先研究了电极之间的电场分布和折射率椭球主轴分布。在仿真上，图2a展示了施加500 V电压时，电极间电场的空间分布仿真结果：电场强度在yz平面内呈现显著的非均匀特征，注意到，在y=0附近区域，电场y分量（Ey）沿y近乎线性变化（图2b）。这种梯度电场通过LiTaO3晶体的Pockels效应，诱导其折射率椭球主轴发生与空间位置有关的旋转。仿真显示，主轴旋转角度θ在晶体表面形成梯度分布（图2c-d）。在实验上，研究人员采用一对格兰棱镜测量了折射率椭球主轴的空间分布。具体地，采用氦氖激光束通过格兰棱镜起偏后照射到LiTaO3晶体上，经过晶体调制后，透射光的偏振态呈现非均匀分布。只有当晶体的主轴与起偏器角度的平行时，该位置的偏振态才保持不变。透射光通过与起偏器正交的检偏器时，这些位置会形成一条暗线。通过同步旋转两个偏振器，得到主轴旋转角度空间分布（图2e-f）。
图2 （a, b）电场空间分布和（c-f）折射率椭球主轴空间分布的（c, d）仿真结果和（e, f）实验测量结果
光子自旋分离距离的电调控
通过弱测量技术，研究团队测量了光子自旋的微小分离距离。弱测量示意图如图3a所示，激光通过GTP1起偏成水平方向的偏振光，经过晶体后经过GTP2完成后选择，后选择角度Δ较小，几乎与前选择角度垂直。当施加电压时，光斑从高斯分布分裂为不对称的双峰，固定后选择角，我们得到随电压变化而变化的光斑，光斑质心会随电压偏移（图3b）。通过光斑质心计算出光子自旋分离距离，自旋分离距离与电压呈线性关系（图3c），验证了电光调控几何相位的可行性。接着，研究人员直接观测了受电压调控的在动量空间中的光子自旋分离（图4）。当施加-500V电压时，斯托克斯参数S3的分布清晰显示了左右旋圆偏振光的在动量空间发生分离。
图3 自旋分离距离的电调控
图4 动量空间的斯托克斯参量S3分布
光自旋霍尔效应的高速动态响应
为测试光自旋霍尔效应的动态调控，研究团队设计搭建了基于弱测量技术的动态测试光路（图5a）。研究团队将不同频率的正弦信号输入器件，结果显示，器件3 dB带宽达160 MHz（图5b-c）。除此以外，研究团队将脉冲信号输入器件，脉冲半高宽为5.5 ns，响应信号和输入信号有着相似的脉冲形状（图5d）。这一性能为高速光通信和实时光子调控提供了可能。
图5 光自旋霍尔效应的高速动态响应
这项研究实现了电光诱导PB相位的光自旋霍尔效应，并展示了高速的几何相位调控能力。通过电光效应，实现了PB相位的重新排布，这一过程是电可调的。该研究为动态调控几何相位研究、光自旋霍尔器件制造提供了新的方法。
文章链接：
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.113805
