PRL：基于BIC的拓扑涡旋实现光自旋霍尔效应

撰稿|由课题组供稿

近日，复旦大学物理系光子晶体课题组基于连续谱中束缚态在动量空间具有的拓扑涡旋构型，深入挖掘光子晶体动量空间的偏振自由度，实现了光的自旋霍尔效应。相关研究成果以“Spin Hall Effect of Light via Momentum-Space Topological Vortices around Bound States in the Continuum”为题，在线发表在Physical Review Letters上，并被选为了Editors’ Suggestion。

在具有周期性的光子结构中，连续谱中束缚态（BIC）是动量空间的一类拓扑奇点。BIC具有整数的拓扑荷，围绕BIC具有丰富的偏振涡旋构型。这些偏振相关的新奇拓扑构型吸引了极大的研究兴趣。一方面，这些偏振涡旋构型为BIC的无限高品质因子提供了拓扑上的图像理解。另一方面，这些涡旋构型也为光场调控引入了动量空间偏振自由度。研究团队在之前的工作提出利用BIC的偏振涡旋构型实现无需实空间对准的涡旋光产生新机制，并被日本Notomi教授评述为 “…this behaviour provides a new form of spin–orbit interactions…”[Nat. Photonics 14, 595–596 (2020)]。基于此，利用围绕BIC的拓扑偏振涡旋实现更丰富的自旋轨道耦合的效应有待进一步探索。

       光的自旋轨道耦合是许多新奇光学效应的物理基础，其广泛存在于各类光学过程的。光的自旋霍尔效应就是一种具有代表性的自旋轨道耦合的效应。光的自旋霍尔效应一般体现为光束在界面反射、折射等光学过程中不同自旋分量的分离，比如自旋依赖的横向光束位移（自旋霍尔位移）。自旋霍尔位移也可以从动量空间的自旋依赖的相位梯度来理解，在之前大部分的工作中，所讨论的自旋依赖的相位梯度都是垂直于光束的入射面的，因而所实现的自旋霍尔位移也大多是垂直于光束入射面的横向位移，对自旋霍尔位移实现更多自由度的调控有待进一步推进。

图1. 通过围绕BIC的拓扑涡旋实现的光自旋霍尔效应示意图。

       研究团队基于BIC在动量空间提供的偏振自由度，提出了可以利用围绕BIC的拓扑偏振涡旋来实现光的自旋霍尔效应。对于由周期性介电结构构成的光子晶体平板，其支持的光学模式具有非局域的特性。因此，当光束从远场照射到结构上并与光学模式发生共振的时候，将会受到偏振相关的非局域共振调制。如图1中所示，当一束圆偏振光照射到光子晶体平板并发生反射的过程中，考虑其交叉极化转换的光束，自旋轨道耦合的效应可以分成两个部分：一方面，由于围绕BIC的拓扑涡旋的强偏振各向异性，对于不同入射方向的光，与不同光学模式共振会被引入一个几何相位分布。另一方面，这个非局域共振过程，还会同时在动量空间引入一个交叉极化的共振相位分布。这两种相位分布构成了动量空间丰富的相位梯度分布，进而可以实现更多自由度的自旋霍尔位移。如图一，对于一束朝着X方向入射的右旋光束，经由光子晶体平板的反射，其反射的左旋光束分量的自旋霍尔位移同时有X和Y两个方向。

       研究团队给出了具体的例子，设计并制备了具有C_4v 对称性的光子晶体平板。分别从模拟上和实验上实现了基于围绕BIC的拓扑涡旋的光自旋霍尔效应（图2和图3）。研究团队分别细致讨论了BIC是+1和-1这两种构型拓扑涡旋的情况，实现的自旋霍尔位移将位移方向拓展到了四个象限（图3）。并且，基于BIC拓扑涡旋的特性，研究团队还进一步在不同波长下实现了自旋霍尔位移（图4）。这些结果表明了围绕BIC的拓扑涡旋为实现和应用光的自旋霍尔效应带来了更丰富的自由度。

图2. 光子晶体平板的设计以及对应光自旋霍尔效应的模拟结果

图3. 利用光子晶体平板实现光自旋霍尔位移的实验结果

图4. 在不同波长下的光自旋霍尔位移的实验结果

       复旦大学博士研究生王佳俊为本论文的第一作者，复旦大学的资剑教授和石磊教授为共同通讯作者。本工作得到了科技部重点研发项目，国家自然科学基金，上海市科委项目等基金的支持。上海复享光学股份有限公司殷海玮博士为动量空间成像光谱技术提供了支持并共同开发了可商用化设备，可服务于微纳光子学及交叉学科的发展。

论文信息

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.236101