“2017中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”發(fā)布會(huì)于3月13日晚在上海舉行。我校物理學(xué)院董建文教授研究組“能谷光子晶體中的贗自旋和拓?fù)湔{(diào)控”研究成果，成功入選了“2017中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展”。該獎(jiǎng)項(xiàng)旨在介紹國(guó)內(nèi)科研人員在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的與光學(xué)相關(guān)的具有重要學(xué)術(shù)與應(yīng)用價(jià)值的論文，分別面向基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究，促進(jìn)其研究成果在國(guó)內(nèi)的推廣傳播。該獎(jiǎng)項(xiàng)前身為“中國(guó)光學(xué)重要成果”，歷時(shí)12年，已經(jīng)遴選出中國(guó)光學(xué)重要成果275項(xiàng)。這一獎(jiǎng)項(xiàng)，已經(jīng)在學(xué)術(shù)界被廣泛認(rèn)可。

光場(chǎng)調(diào)控是對(duì)電磁波的位相、偏振、振幅等經(jīng)典自由度實(shí)現(xiàn)有效調(diào)控。近年來(lái)，人們開(kāi)始轉(zhuǎn)向關(guān)注多個(gè)自由度之間的耦合，尤其是拓?fù)涔鈱W(xué)中諸如自旋、軌道、能谷、渦旋光場(chǎng)等新自由度的關(guān)聯(lián)調(diào)控。拓?fù)涔鈱W(xué)體系中類(lèi)量子化的電磁關(guān)聯(lián)行為，有利于探索新型光傳輸、實(shí)現(xiàn)精確光場(chǎng)調(diào)控如單向抗散射傳輸、光延遲、光學(xué)外爾點(diǎn)等新現(xiàn)象，也有利于拓?fù)淞孔佑?jì)算、非線(xiàn)性光學(xué)、拓?fù)湫畔W(xué)等領(lǐng)域和學(xué)科的發(fā)展。

2017年，董建文教授團(tuán)隊(duì)與加州大學(xué)伯克利分校張翔教授課題組合作，通過(guò)構(gòu)建能谷光子晶體（圖2），利用“能谷-贗自旋”耦合，預(yù)言了光子能谷霍爾效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了贗自旋單向傳輸?shù)纫幌盗型負(fù)涔鈱W(xué)新現(xiàn)象。相關(guān)工作發(fā)表在Nature Materials [16, 298 (2017)]上。

能谷光子晶體示意圖

該能谷光子晶體具有電磁對(duì)偶對(duì)稱(chēng)性，在空間反演破缺的條件下，由于能谷-贗自旋相互作用實(shí)現(xiàn)了能谷附近的能帶劈裂，支持光學(xué)贗自旋-路徑關(guān)聯(lián)傳輸，即光子能谷霍爾效應(yīng)，如圖2所示。電磁對(duì)偶能谷光子晶體具有一對(duì)孿生贗自旋，其中贗自旋向上具有同相Ez和Hz，而贗自旋向下則對(duì)應(yīng)反相Ez和Hz。當(dāng)光源從頂端入射到能谷光子晶體時(shí)，沿左下方能谷K傳輸?shù)氖勤I自旋向下能流，而沿右下方能谷K’傳輸?shù)氖勤I自旋向上能流。需要說(shuō)明的是，該能谷光子晶體的所有拓?fù)洳蛔兞烤鶠?，表明該系統(tǒng)的確是拓?fù)淦接沟?。至此，利用結(jié)構(gòu)內(nèi)稟的能谷自由度以及新型能谷-贗自旋相互作用，證明了拓?fù)淦接贵w系中的光學(xué)能谷霍爾效應(yīng)，獲得了贗自旋-路徑關(guān)聯(lián)行為。

光學(xué)能谷霍爾效應(yīng)。（a）能谷-贗自旋鎖定；（b）電場(chǎng)分布。

同時(shí)，通過(guò)分析該能谷光子晶體內(nèi)的本征電磁場(chǎng)手征量，這一工作實(shí)現(xiàn)了贗自旋能流的單向傳輸。更為有趣的是，文章還在單一體系中，對(duì)能谷和拓?fù)鋬蓚€(gè)自由度進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了全新的拓?fù)涔庾咏缑鎽B(tài)。該研究表明，實(shí)現(xiàn)有效的拓?fù)涔鈭?chǎng)調(diào)控，將有利于更多基本量子物理問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)證實(shí)；同時(shí)也為新型光場(chǎng)多維度調(diào)控物理及應(yīng)用，尤其是在光子自旋和軌道角動(dòng)量運(yùn)用等方面，帶來(lái)新的有益啟示。

董建文教授及其團(tuán)隊(duì)陳曉東專(zhuān)職副研究員為論文的共同第一作者，張翔教授為通訊作者。本工作以中山大學(xué)為第一單位，受到國(guó)家自然科學(xué)基金委基金、廣東省杰青基金、廣東省特支人才計(jì)劃、中山大學(xué)優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計(jì)劃等資助。

論文鏈接：http://www.nature.com/nmat/journal/v16/n3/full/nmat4807.html