PRB：干涉场中的纯横向自旋- 大数跨境

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PRB：干涉场中的纯横向自旋

两江科技评论

2023-12-22

导读：近日，浙江科技大学光子与光场调控及应用研究团队研究生陈远路、徐弼军教授、汪小刚教授、青年教师俞昕宁，联合山西大学李亚鑫博士研究生、陈君教授和复旦大学林志方教授，在理论上阐明了干涉场中动量与自旋的空间结

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撰稿|由课题组供稿

导读

自旋角动量包含纵向和横向分量，是电磁场的基本属性。近年来，与螺旋度无关的横向自旋为自旋相关研究提供了新的维度，激发了研究人员对相关现象的兴趣。近日，浙江科技大学光子与光场调控及应用研究团队研究生陈远路、徐弼军教授、汪小刚教授、青年教师俞昕宁，联合山西大学李亚鑫博士研究生、陈君教授和复旦大学林志方教授，在理论上阐明了干涉场中动量与自旋的空间结构，并提出一系列全空间分布的、具有纯横自旋的光场。在此之前，倏逝波中的由横向自旋诱导的光力已发表在Laser Photonics Rev. 17, 2300212 (2023)。本工作突破了倏逝波的近场限制，阐明了干涉场生成纯横向自旋的机制，并以“Pure transverse spin perpendicular to wave propagation in multiple plane waves”为题以Letter形式发表在物理学著名期刊《Physical Review B》上。浙江科技大学陈远路为论文第一作者，徐弼军，俞昕宁以及山西大学陈君为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会、国家重点研发计划、山西省基础研究计划等项目的支持。

研究背景

近些年，研究者在近场光学系统发现一类与波矢量方向垂直并可由右手关系判断的自旋，即横向自旋s_t(Nat. Photon. 9, 789-795(2015))。然而，在波矢量随位置变化而改变的复杂光场中，通过右手关系定性判断横向自旋会遇到困难。为此，深圳大学石鹏等将横向自旋表示为动量的旋度

，进而将横向自旋的概念推广适用至各类束缚光场(PNAS 118, e2018816118 (2021))。以此形式定义的横向自旋满足内禀的自旋-动量锁定关系，据此发展的自旋-动量方程为近场条件下的自旋光场调控提供了新的理论工具。

然而对于绝大多数光场，纵向自旋伴往往随着横向自旋存在。即使是单个的倏逝波，也只有当满足线偏振时才能让纵向自旋消失，获得纯的横向自旋(Laser Photonics Rev. 17, 2300212 (2023))。为了突破倏逝场、倏逝贝塞尔场、倏逝韦伯场等束缚光场的近场限制，并获得纯横向自旋，本文利用任意数量平面波干涉成的光场，研究了自旋与动量的空间结构和性质，阐明干涉场生成纯横向自旋的物理机制。

研究亮点

图1 干涉场中纯横向自旋与动量的空间结构。当任意数量的线偏振平面波在同一平面干涉，光场中仅存在被动量锁定的自旋，且指向光场平移不变的横向。

(1) 在任意数量平面波构成的干涉光场中，得到纵向自旋消失的物理条件，从而获得纯横向自旋光场。研究得到，当且仅当所有平面波位于同一个平面内且具有相同的线偏振时，干涉光场为纯横向自旋场(如图1所示)，此时总自旋被光场的动量锁定。图2以三个线偏振平面波在同平面干涉为例，验证了该纯横向自旋场与动量的锁定关系

。

图2 (a)为三平面波干涉中的自旋分布。 (b) 为三平面波干涉中的横向自旋分布。二者具有相同的轮廓分布。图(b)中的箭头为光场中的动量分布。

(2) 替换平面波为实验中常用的高斯光束，干涉场中的自旋依旧以横向自旋为主导，纵向自旋近似为0。理论计算了高斯光束中动量与自旋的空间分布，并数值展示了光晶格(平面波干涉)与准光晶格(高斯光束干涉)中的自旋与横向自旋(如图3所示)。研究表明，高斯光束的束腰半径越宽(五倍波长，如图3(b),(e))，干涉场中的自旋行为与平面波干涉的情形越接近，表明理论在实验中具有可行性。此外，在束腰半径较窄的情况下(两倍波长，如图3(c),(f))，高斯光束的干涉中依然可以近似的观测到纯横向自旋，这表明由干涉产生的纯横向自旋具有良好的鲁棒性。

图3 光晶格与准光晶格中的自旋与横向自旋。(a)为三平面波干涉产生的光晶格中的自旋分布。(b)和(c)分别为替换平面波为束腰半径为五倍波长和两倍波长的高斯光束，准光晶格中自旋的分布。(d)、(e)、(f)为对应的横向自旋的分布。自旋与横向自旋的轮廓分布相近。

总结与展望

该工作阐明了任意数量平面波构成的干涉场中产生纯横向自旋的机制，并给出一系列具有全空间分布的纯横向自旋场。此外，在多个高斯光束的干涉中也可以近似观测到纯横向自旋，体现了理论的鲁棒性和在实验中的可行性，并增强了对自旋相关物理的理解。本文的工作突破了倏逝场的近场限制，给出了全空间自旋-动量锁定的实例，为横向自旋的相关研究与应用提供了全新的平台。因此，我们相信这项工作将在自旋光子学、光学操纵、拓扑光子学等研究领域引起广泛关注和影响。

该研究工作于2023年12月15日以“Pure transverse spin perpendicular to wave propagation in multiple plane waves”为题发表在Physical Review B上(DOI：10.1103/PhysRevB.108.L241112)。

论文链接：

https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.108.L241112

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