导读
近日，来自杭州电子科技大学、浙江大学和英国伯明翰大学等的研究团队通过引入磁电正交耦合效应（又称双各向异性），提出在三维均匀媒质中激发具备横向自旋属性的光子体态，并实验验证了该光子体态的自旋动量耦合和自旋抵消引起的边界表面态现象。本研究工作以Transverse photon spin of bulk electromagnetic waves in bianisotropic media为题于2019年10月7日发表在Nature Photonics上（DOI：10.1038/s41566-019-0521-4）。
自旋是光子的基本属性之一，其表现为电磁波的电场或磁场随时间发生旋转。通过操控光子自旋，可以实现光子的定向辐射、定向吸收、定向导波、极化检测与转换、模式选择等，因而在光通信、光芯片、光器件等方面具有广泛的应用。比如光子的自旋与轨道角动量（OAM）的相互耦合、光子自旋霍尔效应、几何相位超构表面、光子拓扑绝缘体以及拓扑保护边界态就是通过光子自旋来成功操控光子传播的典型例子。
一般而言，光子在自由空间中其自旋角动量（spin angular momentum，SAM）沿着或反向其传播方向k。这是因为空间光波是横波，即k · E=0 / k · H=0，旋转的电场E （或磁场H）为横向场，其仅能存在于与波矢k垂直的平面内。有趣的是，近些年人们发现空气与金属交界面上的等离子体激元表面态具有横向自旋。这是由于表面态沿着界面传播而在垂直与界面的方向是衰减的，其波矢相当于一个沿着界面方向的实矢量和垂直于界面方向的虚矢量的叠加。因而等离激元表面态的电场同时包含了横向电场和纵向电场分量，而且它们之间的相位差了90度，从而产生了横向自旋。然而，此类横向自旋光子态一旦脱离该特殊边界即将无法保持横向自旋属性，其起作用的范围极为受限，实际应用也相当困难。原则上，如若能在三维均匀媒质（homogeneous medium）中激发出横向自旋光子体态，将能有效突破横向自旋光子的研究与应用瓶颈。但是，哪些均匀媒质可以支持具备横向自旋的光子态尚不明确，成为亟待解决的科学问题。
在本项工作中，研究团队首先将等离子体激元表面态的波动行为与均匀媒质中的体态波动行为进行数学形式上的映射，指出等离子体表面态的疏逝波特性与均匀媒质中的磁电耦合性质具有等价意义，即
（其中
为磁电耦合系数，
为光速，
为表面态的衰减指数，
和
分别代表了该均匀媒质和真空中的波数），如图1a，b。随后通过对具有横向自旋的电磁场所具有的对称性的严格分析证明了磁电正交耦合是在互易、无耗媒质中激发标准横向自旋光子的唯一途径，并把横向自旋和电磁正交耦合参数直接联系起来：
，其中
代表了媒质的由对称性破缺导致的磁电正交耦合参量（在图1c中，
）。
图1. a，等离子体表面态的横向自旋；b，均匀媒质中的横向自旋光子体态；c，媒质的磁电耦合性质与对称性破缺示意。
作为直接实验验证，研究团队运用平面开口环（SRR）制备了具有磁电耦合特性的电磁超构材料（metamaterial），其磁电耦合性存在于磁场的Z分量（Hz）和电场的X分量（Ex）之间，见图2。为简单起见，实验中的电磁波传播沿x方向。研究者通过对电磁波近场扫描的方式，在超构材料表面获取了沿平面切向的电场分布，观测到在超构材料中的电磁波体态的横向电场分量（Ey）和纵向电场分量（Ex）之间的90度的相位差，直接证明了垂直于电磁波传播方向的自旋（Sz）的存在。实验结果与仿真的宏观场分布基本一致，体现出沿平面法向（Z向）的自旋属性。
图2. 横向自旋光子体态实验采用的超构材料、近场测量与仿真的切向电场分布。
研究团队又进一步验证了横向自旋光子体态的自旋动量锁定特性，见图3所示。在实验中，研究团队采用具有不同手性旋向（LCP/RCP）的自由空间光子态（其自旋角动量沿波传播方向）照射至有限大小的超构材料体块边缘，利用边缘上的散射效应激发出在超构材料中沿X方向传播的体态。针对不同自旋属性的入射波，该超构材料块体现了高度选择性的散射效应。测量结果显示，由于自旋匹配因素，左旋圆极化的入射波可被有效地散射到超构材料体块内部，而右旋圆极化入射波则很难通过散射进入该体块。
图3. a，横向自旋光子体态的散射实验示意图；b，横向自旋光子体态对入射光子态表现出强的自旋选择性。
基于横向自旋光子体态，研究团队创新地指出，如果两种均匀媒质的光子体态具备相向的横向自旋属性，则在这两种媒质的交界面上将出现横向自旋相抵消的现象，进而激发出无自旋特性的线性极化边界态，见图4a。这也是首次发现的无自旋的电磁波表面态。深入研究表明，通过调整两种超构材料的平面内取向，可有效调节横向自旋抵消的程度，从而对表面态的色散实现操控（如实现零折射率导致的鲁棒传态），见图4b。
图4. a，两媒质边界上的自旋抵消与线性极化边界态；b，自旋抵消调节与边界态的色散调控。
光子的自旋性质及其应用是当前光子学与光量子体系的前沿课题，其必将随着纳米科技的进步而逐步进入到光学器件与系统的多个方面。本研究从理论和实验两方面论证了横向自旋光子体态的媒质条件，验证和揭示了横向光子自旋体系的体态和边界态效应，建立了磁电耦合性与疏逝波之间的内在联系，提供了操控光子空间自旋与片上自旋的新思路。通过概念延伸，也可将相似结果在其它场合实施，如周期性光子晶体、非均匀媒质等，从而在各类宏观与微观结构上具有广泛的潜在应用。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41566-019-0521-4
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