近日，复旦大学物理学系/应用表面物理国家重点实验室周磊教授课题组系统研究了光学中的两类自旋-轨道耦合效应，建立了统一的物理图景来描述它们，发现二者这间存在有趣的“拓扑诱导相变”现象，并揭示了内在物理机制。相关研究成果以“Topology-Induced Phase Transitions in Spin-Orbit Photonics”为题发表在Laser & Photonics Reviews 15，2000492（2021）上。我系博士后凌晓辉（已出站）和博士生管福鑫（已毕业）为文章的第一作者，周磊教授与上海大学肖诗逸教授为共同通讯作者。
光的自旋-轨道耦合主要表现为两种现象，一种为光子自旋霍尔效应，另一种为自旋相关的涡旋的产生。一直以来，它们被认为是不同的效应，在反射和折射、聚焦、散射、成像、表面波和消逝波等基本的光学过程中被独立地研究，并被置于不同的理论框架之中。然而，值得注意的是，有时在同一系统（典型的如光束在界面反射和折射，如图1所示），不同的条件下，它们会分别出现。人们不禁要问：为什么这两种被归为不同起源的自旋-轨道耦合效应发生在同一体系中？这两种现象之间的深层物理联系是什么？它们之间是如何过渡的？能否将它们统一在一个理论框架之中？

图1 光束在各向同性的突变界面折射时的两种自旋-轨道相互耦合效应。它们之间是如何过渡的？能否建立统一的理论框架来描述它们？
以光束在界面反射和折射这一典型体系为例（图1）。当光束垂直入射时，反/折射光束的一部分产生自旋相关的、拓扑荷为±2的涡旋，即自旋与内禀轨道角动量耦合；而在斜入射时，产生自旋霍尔位移，即自旋与外禀轨道角动量耦合。周磊课题组发现，在入射角和光束束腰半径等参数驱使下，二者之间发生“拓扑相变”（图2）。因为从拓扑的观点看，有“洞”的涡旋光束和无“洞”的自旋霍尔光束是两种不同的拓扑态。周磊课题组揭示这一现象的物理机制是由于反/折射光束的一部分获得了波矢相关的Pancharatnam-Berry相位（图3）。该相位包含具有不同拓扑性质的两部分，即方位相位和一维的梯度相位，前者产生涡旋，后者导致光子自旋霍尔效应。

图2 随着入射角的增大，反/折射光束的一部分发生从涡旋到自旋霍尔位移的拓扑相变。

图3 拓扑诱导的相变产生的物理机制。
(a) 在动量空间表示入射光束，它包含两个具有不同拓扑结构的k锥。(b) 三个典型的k锥在复平面上的史密斯曲线表现出不同的拓扑性质。(c) 反常模式在四个不同入射角下的Pancharatnam-Berry相位，虚线圆将相位分成具有不同拓扑的两部分。(d) 近似计算和全波计算内禀和外禀轨道角动量的结果对比。(e) 将整个空间分为不同轨道角动量性质的相图。
对于一般界面（比如空气/玻璃界面），该拓扑相变很弱，难以在实验上观察，周磊课题组设计了一种各向异性的、介电常数近零的超构材料薄板来极大增强它，并在实验上观察该效应。通过对比发现，该超构材料产生的拓扑相变效率比常规材料制成的薄板高出几千倍。不仅如此，他们还重新解释和澄清了自旋-轨道光子学中一些似是而非的结论，比如Brewster角附近自旋霍尔效应反常增强、正入射时产生的涡旋相位的拓扑荷数为什么是±2，而不是其它值的真正物理来源。
周磊课题组的理论框架，统一了光学中的两类不同的自旋-轨道耦合效应，并可以拓展至其它光学体系。更重要的是，由于光的自旋-轨道耦合在纳米光子学、等离子体光子学、近场光学和拓扑光子学中扮演着越来
越重要的角色，他们的研究结果将为各种潜在的应用铺平道路，例如精密计量、粒子操纵和各种自旋光子功能元件。
该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科委等项目的资助。论文全文地址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202000492 。
（来源：应用表面物理国家重点实验室）