深圳大学袁小聪教授团队在自旋结构光场调控领域取得重要进展

撰稿|由课题组供稿

近日，深圳大学杜路平教授、袁小聪教授团队通过研究旋转对称性破缺下的光学自旋-轨道耦合，发现并论证了光学自旋拓扑结构与光场对称性的紧密联系，展示了自旋结构光场的新物理。相关成果以“Photonic spin lattices: Symmetry constraints for skyrmion and merontopologies”为题，发表于物理学顶级期刊 《Physical Review Letters》上。

自旋拓扑结构，如电子体系中的磁斯格明子(magnetic skyrmion)，由于其良好的稳定性及新奇的动力学特性，被认为是未来实现高速度，高密度，低能耗磁（自旋）存储器件的基本单元，受到了学术界的广泛关注。与之对应的是，光子也携带自旋信息并且拥有与电子类似的自旋拓扑特性。近年来，深圳大学微纳光电子学研究院纳米光子学研究中心的杜路平教授、袁小聪教授在光子体系中的自旋拓扑结构研究中取得了一系列创新性成果，研究工作相继发表在《Nature Physics》（Nature Physics 15, 650-654 (2019)）、《PNAS》（PNAS, 118(6), e2018816118(2021)）等国际顶级期刊，开辟了结构光场调控领域的一个新的分支：自旋结构光场，并已逐渐成为当下的一个重要研究热点。在凝聚态体系中，晶体各向异性能和相邻自旋磁矩的耦合作用决定了不同电子自旋结构的形成，如磁性斯格明子(skyrmion)、半子(meron)等。然而，光学体系下自旋拓扑结构的决定因素、以及不同构型的自旋拓扑结构尚未得到有效的论证。

图1 近场光学涡旋中的自旋-轨道耦合及光学斯格明子结构 Nature Physics, 2019,15(7): 650-654

在前期的工作基础上，课题组通过研究旋转对称性破缺下的光学自旋-轨道耦合，建立了光场对称性与自旋拓扑结构之间的联系。单个倏逝场的光学涡旋可以形成独立的光学斯格明子，其自旋-轨道耦合特性可以由赫兹势来描述。研究人员对这样的光学涡旋引入旋转对称性破缺，进行阵列叠加(图2a,e)。由于能流可以看作赫兹势的贝里联络(Berry connection)，通过计算发现，六角及四角对称下的近场自旋-轨道耦合将分别形成Abrikosov型(图2b)及Staggered型(图2f)的能流涡旋分布。根据近场电磁波的内秉光学能流(P)-自旋(S)定律，两种能流涡旋结构分别对应光学自旋斯格明子及半子阵列(图2c,g)。同时，课题组发现，在自旋-轨道耦合缺失的情况下，也即光学涡旋的轨道角动量l=0时，系统的自旋为0，此时由自旋矢量构成的自旋拓扑结构退化为由电场矢量构成的光学拓扑结构，并且受到了与上述一致的对称性约束。课题组的研究人员通过求解方形边界下能量哈密顿量的极值，验证了拓扑半子结构的构型。进一步的，利用表面等离激元涡旋，结合具有不同对称性的强度调节光阑(图3a)，在实验上分别生成了斯格明子及半子阵列，并利用自主搭建的近场扫描系统，对自旋拓扑结构进行了表征(图3b-e)。

图2 (a-d)六角对称下的Abrikosov能流涡旋及光学斯格明子阵列；(e-h)四角对称下的Staggered能流涡旋及光学半子阵列

图3 实验生成的光学斯格明子与半子阵列

该研究工作揭示了光学体系下，自旋拓扑结构与光场对称性之间的紧密联系，并通过引入对称性破缺的自旋-轨道耦合，分别构造了光学斯格明子及半子阵列，展示了自旋结构光场的新物理，为纳米尺度下的光场调控及光学体系下的自旋拓扑特性研究提供了新思路，在光学传感、磁畴检测、量子技术等领域具有重大的应用前景。

深圳大学杜路平教授、袁小聪教授和英国伦敦国王学院Anatoly. V. Zayats教授为论文的共同通讯作者，雷欣瑞博士与杨爱萍副研究员为共同第一作者，深圳大学是第一单位和第一通信单位。

该研究得到了广东省基础与应用基础重大项目、国家自然科学基金、深圳市杰出青年基金，深圳市孔雀团队等的支持。

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.237403