微觀粒子的自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量是描述粒子復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為中最基本的兩個(gè)物理量，這兩個(gè)角動(dòng)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(lái)得到廣泛的研究，然而它的逆過(guò)程——軌道-自旋轉(zhuǎn)換至今仍未在實(shí)驗(yàn)中得到很好的觀測(cè)和調(diào)控。

隨著超短脈沖激光技術(shù)的飛速發(fā)展，超強(qiáng)飛秒激光的光場(chǎng)能量在時(shí)空中的高度集中，使得聚焦后的激光場(chǎng)強(qiáng)度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)原子內(nèi)部庫(kù)侖場(chǎng)（I>1016W/cm2）。對(duì)于如此強(qiáng)的激光場(chǎng)的自旋態(tài)-軌道態(tài)及其耦合，可以調(diào)控強(qiáng)光與物質(zhì)的許多非線性相互作用過(guò)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(chǎng)重構(gòu)技術(shù)，在強(qiáng)場(chǎng)領(lǐng)域已經(jīng)完全失效，揭示強(qiáng)激光場(chǎng)中光子的自旋-軌道相互作用是一個(gè)沒(méi)有解決且非常重要的問(wèn)題。

上：光場(chǎng)的軌道-自旋相互作用及光電子成像實(shí)驗(yàn)示意；下：實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論模擬

人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)”劉運(yùn)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(duì)光場(chǎng)調(diào)控對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)中光子自旋軌道相互作用進(jìn)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(chǎng)的空間形狀，在此過(guò)程中，光子始終只具有軌道角動(dòng)量而不具有自旋角動(dòng)量。進(jìn)一步，將得到的合成結(jié)構(gòu)光場(chǎng)進(jìn)行聚焦，通過(guò)理論模擬，他們發(fā)現(xiàn)焦點(diǎn)的光場(chǎng)會(huì)耦合出自旋角動(dòng)量。他們借助光電離這一非線性過(guò)程對(duì)超強(qiáng)激光光場(chǎng)的軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)換進(jìn)行表征。通過(guò)冷靶反沖離子電子動(dòng)量成像譜儀（COLTRIMS）實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量結(jié)構(gòu)光場(chǎng)與Xe原子相互作用的光電子動(dòng)量分布。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制狹縫間距，Xe原子電離產(chǎn)生的光電子動(dòng)量分布會(huì)隨著狹縫間距的減小發(fā)生明顯變化，光電子動(dòng)量分布逐漸從類似于圓偏光場(chǎng)作用形成的光電子動(dòng)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(dòng)量分布【M. Li et al.，Phys. Rev. Lett. 023006 （2013）】。實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了結(jié)構(gòu)光場(chǎng)發(fā)生了軌道自旋轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化得到的自旋角動(dòng)量通過(guò)光電子動(dòng)量得到了非常直觀的體現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激光場(chǎng)光子軌道角動(dòng)量-自旋角動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金委、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室極端光學(xué)創(chuàng)新研究團(tuán)隊(duì)古英教授和龔旗煌教授等在腔量子電動(dòng)力學(xué)和拓?fù)涔庾訉W(xué)的交叉研究中取得重要進(jìn)展：提出了拓?fù)浔Ｗo(hù)下的邊界態(tài)主導(dǎo)的模式耦合機(jī)制，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了腔量子電動(dòng)力學(xué)弱耦合體系在拓?fù)涔庾泳w中的珀塞爾增強(qiáng)的吸收減少效應(yīng)，并實(shí)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(píng)論快報(bào)》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?fù)涔庾泳w的拓?fù)鋺B(tài)具有光子無(wú)散射傳播和免疫缺陷的拓?fù)浔Ｗo(hù)特點(diǎn)，被越來(lái)越多地運(yùn)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(chǎng)增強(qiáng)來(lái)改善單光子自發(fā)輻射是實(shí)現(xiàn)單光子源的關(guān)鍵原理，但無(wú)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(tuán)隊(duì)首先提出了由拓?fù)鋺B(tài)主導(dǎo)的模式耦合的原理，通過(guò)精心設(shè)計(jì)光學(xué)模式，將金屬納腔置于一維拓?fù)涔庾泳w中(圖1(a))，通過(guò)拓?fù)鋺B(tài)主導(dǎo)模式耦合的機(jī)制(圖1(b))，實(shí)現(xiàn)了超大的珀塞爾增強(qiáng)，并得到了珀塞爾增強(qiáng)的吸收減少效應(yīng)(圖1(c, d))。同時(shí)，通過(guò)利用拓?fù)溥吔鐟B(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(dá)到了79.5%。這種拓?fù)鋺B(tài)主導(dǎo)模式耦合機(jī)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(duì)以后的拓?fù)涔庾泳w和微納尺度腔量子電動(dòng)力學(xué)的研究產(chǎn)生重要影響。同時(shí)，無(wú)散射的大珀塞爾增強(qiáng)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?fù)涔庾泳w示意圖；(b) 拓?fù)鋺B(tài)主導(dǎo)的模式耦合機(jī)制示意圖；(c) 無(wú)拓?fù)涔庾泳w環(huán)境的金屬納腔中珀塞爾增強(qiáng)；(d) 拓?fù)浔Ｗo(hù)下的金屬納腔的珀塞爾增強(qiáng)。

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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

相關(guān)鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023901