暨南大学融媒体中心讯 近日，物理与光电工程学院（理工学院）光电工程系陈振强、李真科研团队在光学权威学术期刊Optica发表题为“Electrically engineering synthetic magnetic fields for polarized photons”的研究成果。该研究通过结构光场与人工晶体相互作用，构建极化光子二能级模型，揭示极化光子内禀等效自旋磁矩现象。在人工磁场作用下，极化光子展现类电子自旋传输行为。该研究成果为结构光场调控提供新物理原理。物理与光电工程学院研究生刘国华和曾泽培为论文共同第一作者，付神贺、陈振强教授为共同通讯作者。
当前，电子与光子是两种重要信息载体。电子具有两种量子化自旋态（spin up and spin down），由德国物理学家斯特恩（Stern）和格拉赫（Gerlach）在1922年原子实验中首次发现（图1(a)）：一束银原子通过空间非均匀磁场后分裂成两束，证实了电子量子化自旋属性。电子自旋磁矩的发现获得了1943年诺贝尔物理学奖。光子有自旋，但没有自旋磁矩，因此无法受到外磁场的作用，这为通过外场调控光子传输行为设置了障碍。
图1.电子（极化光子）斯特恩-盖拉赫效应原理图。（a）一束传播中的原子在空间非均匀磁场作用下逐渐分裂成两束，对应于电子自旋向下和向下两种量子化状态；（b）一束传播中的极化光子在空间非均匀人工磁场作用下逐渐分裂成两束，对应于极化光子的水平偏振和垂直偏振态。
图2.极化光子的斯特恩-盖拉赫效应：不同人工磁场梯度下（由电压描述），实验观察到极化光子的分裂。（a）实验结果；（b）理论结果。
针对上述基本问题，研究者基于光与物质相互作用提出工人规范场的概念，通过规范场的作用实现光子态调控。但人工规范场强烈依赖于固定的物质材料结构，难以实现可调控的规范场。陈振强、李真教授带领科研团队长期开展结构光场与人工晶体相互作用研究。该团队通过建立偏振极化光子赝自旋1/2系统，从第一性原理导出结构光场与人工晶体相互作用哈密顿量，揭示极化光子内禀等效自旋磁矩；借助人工晶体良好的电光特性，导出可调谐人工合成磁场模型。在人工磁场驱动下，极化光子感受到源于“磁场”的洛伦兹力，使得极化光子加速传播，产生偏折或分裂现象。进一步，通过构建人工非均匀磁场，实现极化光子的斯特恩-盖拉赫效应（原理图1（b）；实验结果图2）。值得一提的是，该效应还能推广至高阶光学体系，实现矢量涡旋结构光子拓扑态的分离。
该研究成果为基于人工合成磁场实现极化光子自旋调控提供新原理技术，为研制具有偏振响应的微纳光子器件提供重要参考。该研究得到国家自然科学基金项目、中央高校基础科研基金项目等的支持。
论文链接：https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-11-7-980&id=553214
责编：李梅