想象一下，在一条南北走向的高速公路上，车辆按照“靠右”的交通规则有序行驶。向北的车辆进入右车道，向南的车辆进入左车道。一旦行驶方向确定，车辆所在的车道也随之确定。
类似的“交通规则”，在电磁波的世界中同样存在。如果将车辆的前进方向类比为波导中电磁波的能流方向，将左右车道类比为电磁波的横向自旋方向，那么这一情形就对应着一个重要的物理现象，即自旋-动量锁定（spin–momentum locking，SML）。在这种机制下，电磁波沿哪个方向传播，其横向自旋取向也随之确定。
但如果道路规则从“靠右行驶”切换为“靠左行驶”，情况就会变得不同。车辆仍然沿原来的方向前进，但会被分配到另一侧车道。也就是说，改变的不是前进方向，而是前进方向与车道之间的对应关系。
图1｜自旋-折射率锁定的交通类比。规则切换后，前进方向不变，而对应车道发生翻转。
那么，在电磁波的世界中，这样的“交通规则”是否也能改变，从而使能流传播方向保持不变，而横向自旋方向却发生翻转？
近日，浙江大学物理学院光磁耦合研究团队在人工电磁结构中发现了一种新的自旋调控机制。该机制能够在保持电磁波能流方向不变的情况下，通过切换介质有效折射率的符号，使横向自旋方向发生翻转。团队将这一现象命名为自旋-折射率锁定（spin-refractive-index locking，SRIL）。基于这一机制，研究团队进一步实现了光子-磁振子的频率选择性手性耦合，并构建出一种能够按频率自动分流信号的微波路由器件。由于不同频率的信号从同一输入端进入后，会被自动导向不同的输出端口，这一器件也可形象地称为频分微波漏斗（frequency-division microwave funnel）。相关成果以《Frequency-division routing via spin–refractive-index locking》为题，发表于《Nature Communications》。
电磁波传播方向的选择性调控及光与物质之间的手性相互作用，是现代光子学的重要研究内容。对于表面波和导波等倏逝模式，电磁场矢量在垂直于传播方向的平面内发生局域旋转，从而形成横向自旋。横向自旋的取向由动量方向决定，这一现象被称为自旋-动量锁定。
在传统正折射率介质中，动量方向与能流方向同向。因此，当能流方向固定时，横向自旋的取向通常也被唯一确定，调控自由度有限。相比之下，在负折射率介质中，动量方向与能流方向相反。因此，在保持能流方向不变的情况下，横向自旋的取向可随介质折射率的反转而翻转（图2）。这意味着，若能在同一平台中实现有效折射率符号的切换，就有可能在固定能流方向下调控横向自旋取向。这为实现折射率可控介质中的手性光与物质相互作用提供了新的物理机制。
图2｜自旋-折射率锁定与光子-磁振子手性耦合示意图。(a) 在正折射率与负折射率体系中，对于固定的能流方向，横向自旋的取向由折射率符号决定，并进一步决定光子与磁振子的手性耦合。(b) 基于复合左右手传输线与YIG 小球的实现方案。折射率符号切换会导致横向自旋翻转，从而实现可重构可切换的光子-磁振子手性耦合与信号传输。
研究团队设计并构建了一种复合左/右手传输线超材料波导（图3a、3b）。测量结果表明，在较低频率通带中系统处于左手传播模式，对应负折射率；在较高频率通带中则进入右手传播模式，对应正折射率。当系统跨越切换频率时，传播常数符号发生改变，有效折射率也随之由负转正。
进一步的电磁场分析表明，波导边缘存在具有横向自旋的倏逝电磁模式，并在传输线两侧形成相反旋向的自旋态（图3e）。实验与模拟结果显示，在正折射率区域中，横向自旋随传播方向翻转，符合传统的自旋–动量锁定规律；在接近零折射率的过渡区域，横向自旋明显减弱；而在负折射率区域中，对于相同能流方向，横向自旋的符号相对于正折射率区域发生反转（图3f）。这一结果表明，在固定能流方向下，横向自旋的取向由有效折射率符号决定，从而验证了自旋–折射率锁定效应。
图3｜复合左右手传输线超材料的色散、场分布与横向自旋。（a）复合左右手传输线单元结构示意图。（b）复合左右手传输线器件示意图。（c）器件的模拟色散关系与有效折射率。（d）器件的实测与模拟传输谱。（e）在8.6 GHz 下、沿+y 方向激励时的表面磁场分布示意。（f）在负折射率、近零折射率和正折射率频带下的横向自旋角动量密度分布。
基于这一机制，研究团队进一步构建了YIG与复合左右手传输线耦合系统（图4）。实验中，一个直径约1 mm的YIG小球被放置在传输线边缘，并施加沿z方向的静态偏置磁场。实验结果表明，在负折射率频带中，仅有一个传播方向的信号能够与磁振子发生耦合并产生明显吸收，而另一方向几乎不受影响；当系统进入正折射率频带后，耦合方向发生完全翻转。通过连续扫描外加磁场，研究人员获得了整个通带范围内的非互易响应：在负折射率频带中磁振子主要耦合右向传播通道，而在正折射率频带中则转而耦合左向传播通道（图4d、4e）。这些结果表明，在固定能流方向下，光子与磁振子的耦合通道方向由折射率符号决定，从而将自旋–折射率锁定直接体现为光子–磁振子之间频率调控的手性耦合。
图4｜频率选择性的光子与磁振子手性耦合。（a）YIG 小球与复合左右手传输线波导的实验构型示意图。（b）磁振子与左右传播微波模式发生手性耦合的示意图。（c）在负折射率频带和正折射率频带中的传输谱对比（d）随偏置磁场变化的频谱演化，展示磁振子分别与左手模和右手模发生共振耦合。（e）左右传播方向的耦合强度随频率的变化关系，表明在不同折射率频带中，手性耦合方向发生反转。
基于自旋-折射率锁定效应，研究团队进一步实现了微波信号的频分路由功能。在三端口复合左右手传输线–YIG器件中，在端口3通过天线激发磁振子（图5a）。当工作频率位于约4.9 GHz 的左手频带（n<0）时，信号在三个端口之间形成1→3→2→1 的循环路径；当频率调至约8.65 GHz 的右手频带（n>0）时，信号传播方向整体反转，在端口之间形成1→2→3→1 的循环路径。由此，通过改变工作频率即可切换信号在不同端口之间的传播路径，实现基于自旋–折射率锁定机制的频分信号路由。关注来自3端口的传输信号，高频和低频信号可分别被分发到1或者2端口，实现频分微波漏斗功能。
图6｜带宽拓展策略。（a）通过增大YIG 体积拓展带宽的器件示意图。（b，c）1.5 mm YIG 球（实线）与1 mm YIG 球（虚线）在左手通带（n<0, b）和右手通带（n>0, c）中的实测传输谱对比。（d）采用两个1 mm YIG 球级联的器件示意图。（e，f）两个YIG 球构型（实线）与单个YIG 球构型（虚线）在左手通带（e）和右手通带（f）中的实测传输谱对比。
这项工作首次提出并实验验证了自旋-折射率锁定这一新的物理机制。基于这一机制，研究团队进一步实现了光子与磁振子的频率选择性手性耦合、微波信号的频分路由、可重构的环形传输，以及“频分微波漏斗”等器件功能，并展示了器件带宽优化的可行性。这一工作为发展新型片上非互易器件、可重构微波器件以及自旋选择性光与物质相互作用研究提供了新的物理机制和实现路径。
浙江大学物理学院博士生彭远鹏为论文第一作者。浙江大学物理学院王逸璞研究员和游建强教授为论文通讯作者，朱诗尧院士参与并指导了该研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、量子科技创新计划以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。
研究小组主页：
https://person.zju.edu.cn/0020096#0
文章信息：
Peng, YP., Zhu, SY., You, J.Q.et al. Frequency-division routing via spin–refractive-index locking. Nat Commun (2026).
https://doi.org/10.1038/s41467-026-70460-w
撰稿：课题组
