国际物理学权威期刊Physical Review Letters以“Direct visualizing the spin Hall effect of light via ultrahigh-order modes”为题发表了上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授研究组在光子自旋霍尔效应研究领域的最新成果。研究人员提出了利用双折射晶体金属覆盖波导在小角度激发超高阶导模从理论上证明可以实现毫米量级的Imbert-Fedorov (IF) 位移，并在实验上验证测量到~0.16mm的IF位移。这个工作解决了由于光子自旋霍尔效应弱而难以观测的问题，同时光子自旋霍尔效应产生的便于直接观测的IF位移在传感领域以及量子信息领域也具有潜在的重要应用意义。该论文已于2020年2月4日发表，戴海浪博士为第一作者，陈险峰教授、袁璐琦特别研究员为论文的通讯作者。
当具有不同波矢所组成的平面波组成的波包进入一个折射率在变化的空间时，不同波矢组成的平面波经历不同的几何相位，从而影响其在空间剖面的传播而在横向上发生分离的现象即为光子的自旋霍尔效应（Spin Hell Effect of Light, SHEL）。其中，拥有不同自旋的光场在横向上分离的距离就是IF位移。因此，评判光子自旋霍尔效应强弱的另一种描述就是所测量的IF位移大小。由于IF位移也是评判光子进入光学结构后自旋-轨道角动量相互作用强弱的依据，因此一个可直接观测的大IF位移对于将光子自旋霍尔效应应用到生物分子结构的检测以及左手材料的检测等应用领域有着潜在的重要意义。



图1 双折射晶体金属覆盖波导结构以及理论模拟计算结果
在传统的光学结构中，光场的自旋-轨道相互作用的强度很弱，所导致的IF位移基本都是在亚波长量级，因此很难在实验上直接观测到左旋光和右旋光的横向分离。近些年，为了测量到IF位移，科学家们通过“Quantum Weak Measurement”技术对比预选（Preselection）态和后选（Postelection）态测量，将IF位移从半波长数量级放大到了光斑尺度大小。然而，这种非直接测量的技术受到了光量子噪声的极大限制，在应用实际上尚存有一定的困难。本工作针对上述科学问题，利用双折射晶体金属覆盖波导在小角度激发超高阶导模（Ultrahigh Order Modes， UOMs）理论分析出了IF位移的决定性因子，以及实现放大IF位移的机制。同时通过实验实现增强的光子霍尔效应，并对其产生的~0.16mm的大IF位移进行了直接测量。成功实现IF位移至亚毫米数量级，使得该位移可以通过直接测量肉眼可见，对于利用光子自旋霍尔效应进入实际应用起到了非常关键的一步。

图2. 实现自旋霍尔效应的实验装置以及实验结果
论文由上海交通大学陈险峰教授研究组完成，合作者还包括了上海交通大学曹庄琪教授，袁璐琦特别研究员和河海大学殷澄副教授。研究工作得到了国家重点研究计划项目（项目编号No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701），国家自然科学基金（项目编号No. 11734011, 11764020, 11974245）和上海市科委重大项目（项目编号 No. 17JC1400400）的资助。
文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.053902
DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.053902