微觀粒子的自旋角動量和軌道角動量是描述粒子復(fù)雜動力學(xué)行為中最基本的兩個物理量，這兩個角動量之間的耦合普遍存在于自然界之中。光子的自旋-軌道相互作用，在光與物質(zhì)相互作用的研究以及應(yīng)用中具有舉足輕重的意義。光子的自旋-軌道相互作用可以分為自旋-軌道轉(zhuǎn)換和軌道-自旋轉(zhuǎn)換。光子的自旋-軌道轉(zhuǎn)換在近十年來得到廣泛的研究，然而它的逆過程——軌道-自旋轉(zhuǎn)換至今仍未在實驗中得到很好的觀測和調(diào)控。
隨著超短脈沖激光技術(shù)的飛速發(fā)展，超強飛秒激光的光場能量在時空中的高度集中，使得聚焦后的激光場強度可以遠遠超過原子內(nèi)部庫侖場（I>1016W/cm2）。對于如此強的激光場的自旋態(tài)-軌道態(tài)及其耦合，可以調(diào)控強光與物質(zhì)的許多非線性相互作用過程。但由于巨大的光子能量密度，傳統(tǒng)的光學(xué)方法，譬如近場重構(gòu)技術(shù)，在強場領(lǐng)域已經(jīng)完全失效，揭示強激光場中光子的自旋-軌道相互作用是一個沒有解決且非常重要的問題。
上：光場的軌道-自旋相互作用及光電子成像實驗示意；下：實驗結(jié)果及理論模擬
人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士等結(jié)合高分辨光電子成像技術(shù)，對光場調(diào)控對強激光場中光子自旋軌道相互作用進行了開創(chuàng)性研究。他們利用超結(jié)構(gòu)波片和螺旋相位板將平面波制備成徑向偏振的光渦旋，并借助狹縫控制光場的空間形狀，在此過程中，光子始終只具有軌道角動量而不具有自旋角動量。進一步，將得到的合成結(jié)構(gòu)光場進行聚焦，通過理論模擬，他們發(fā)現(xiàn)焦點的光場會耦合出自旋角動量。他們借助光電離這一非線性過程對超強激光光場的軌道角動量和自旋角動量轉(zhuǎn)換進行表征。通過冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（COLTRIMS）實驗裝置，測量結(jié)構(gòu)光場與Xe原子相互作用的光電子動量分布。實驗發(fā)現(xiàn)，通過控制狹縫間距，Xe原子電離產(chǎn)生的光電子動量分布會隨著狹縫間距的減小發(fā)生明顯變化，光電子動量分布逐漸從類似于圓偏光場作用形成的光電子動量分布【M. M. Liu et al.，Phys. Rev. Lett. 120, 043201（2018）】, 逐漸變成了類似線偏光作用下形成的光電子動量分布【M. Li et al.，Phys. Rev. Lett. 023006 （2013）】。實驗結(jié)果直接證明了結(jié)構(gòu)光場發(fā)生了軌道自旋轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化得到的自旋角動量通過光電子動量得到了非常直觀的體現(xiàn)。實現(xiàn)強激光場光子軌道角動量-自旋角動量的轉(zhuǎn)換，可以廣泛應(yīng)用于產(chǎn)生具有高軌道態(tài)、自旋態(tài)可控的極紫外光子束和電子束等。
相關(guān)研究以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields”為題于近日發(fā)表在《自然·光子學(xué)》上。研究論文第一作者是博士生方一奇，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室、教育部納光電子前沿研究中心、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心和極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心等的支持。
北京大學(xué)物理學(xué)院、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室極端光學(xué)創(chuàng)新研究團隊古英教授和龔旗煌教授等在腔量子電動力學(xué)和拓撲光子學(xué)的交叉研究中取得重要進展：提出了拓撲保護下的邊界態(tài)主導(dǎo)的模式耦合機制，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了腔量子電動力學(xué)弱耦合體系在拓撲光子晶體中的珀塞爾增強的吸收減少效應(yīng)，并實現(xiàn)了高光子收集效率。相關(guān)研究成果發(fā)表在物理學(xué)權(quán)威期刊《物理評論快報》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。
拓撲光子晶體的拓撲態(tài)具有光子無散射傳播和免疫缺陷的拓撲保護特點，被越來越多地運用在微納光子學(xué)和量子光學(xué)器件上，成為重要的光學(xué)新興領(lǐng)域。微納尺度的單光子源是片上量子信息處理的重要部分，利用微納光子器件結(jié)構(gòu)的局域場增強來改善單光子自發(fā)輻射是實現(xiàn)單光子源的關(guān)鍵原理，但無法避免散射和吸收造成的損耗，且在傳輸中單光子收集效率不高。研究團隊首先提出了由拓撲態(tài)主導(dǎo)的模式耦合的原理，通過精心設(shè)計光學(xué)模式，將金屬納腔置于一維拓撲光子晶體中(圖1(a))，通過拓撲態(tài)主導(dǎo)模式耦合的機制(圖1(b))，實現(xiàn)了超大的珀塞爾增強，并得到了珀塞爾增強的吸收減少效應(yīng)(圖1(c, d))。同時，通過利用拓撲邊界態(tài)作為光子傳輸通道，使得非吸收損耗的光子幾乎全部被收集的高光子收集效率(圖1(d))，最大光子收集率達到了79.5%。這種拓撲態(tài)主導(dǎo)模式耦合機制和相應(yīng)的吸收減少效應(yīng)，可以拓展到更高維度的光子結(jié)構(gòu)上，對以后的拓撲光子晶體和微納尺度腔量子電動力學(xué)的研究產(chǎn)生重要影響。同時，無散射的大珀塞爾增強可以應(yīng)用在片上量子光源的制備上。
圖1(a) 嵌入金屬納腔的一維拓撲光子晶體示意圖；(b) 拓撲態(tài)主導(dǎo)的模式耦合機制示意圖；(c) 無拓撲光子晶體環(huán)境的金屬納腔中珀塞爾增強；(d) 拓撲保護下的金屬納腔的珀塞爾增強。
北京大學(xué)博士生錢祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授為通訊作者。中山大學(xué)董建文教授參與合作研究。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委杰出青年基金、量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、極端光學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、納光電子前沿科學(xué)中心、廣東省重點研發(fā)計劃等的支持。
相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023901
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