光的自旋轨道耦合是许多新奇光学效应的物理基础，其广泛存在于各类光学过程。光的自旋霍尔效应就是一种具有代表性的自旋轨道耦合的效应，一般体现为光束在界面反射、折射等光学过程中不同自旋分量的分离，比如自旋依赖的横向光束位移（自旋霍尔位移）。自旋霍尔位移也可以从动量空间的自旋依赖的相位梯度来理解，在之前大部分的工作中，所讨论的自旋依赖的相位梯度都是垂直于光束的入射面的，因而所实现的自旋霍尔位移也大多是垂直于光束入射面的横向位移，对自旋霍尔位移实现更多自由度的调控有待进一步推进。

图1：通过围绕BIC的拓扑涡旋实现的光自旋霍尔效应示意图以及测量的实验结果

研究团队基于BIC在动量空间提供的偏振自由度，提出了可以利用围绕BIC的拓扑偏振涡旋来实现光的自旋霍尔效应。光子晶体平板中光学模式的非局域特性以及在动量空间中围绕BIC的拓扑涡旋构型可为入射到光子晶体平板的光束同时引入动量空间的几何相位梯度和交叉极化的共振相位梯度，进而可以实现更多自由度的光自旋霍尔位移。研究团队分别从模拟上和实验上实现了基于围绕BIC的拓扑涡旋的光自旋霍尔效应，实现的自旋霍尔位移将位移方向拓展到了四个象限，还进一步在不同波长下实现了位移大小变化的自旋霍尔位移。

光的自旋-涡旋转换和光的自旋霍尔效应是光自旋轨道耦合的两种具有代表性的现象。研究团队专注于对动量空间偏振场的探索，在之前的工作实现了基于BIC拓扑涡旋的涡旋光生成[Nat. Photonics 14, 623–628 (2020)]，本工作则是利用BIC拓扑涡旋实现了光的自旋霍尔效应。围绕BIC的拓扑涡旋为光场调控引入了动量空间偏振自由度，也为光的自旋轨道耦合提供了更丰富的调控手段。

论文链接：

[1]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.236101

[2]https://phys.fudan.edu.cn/3f/ef/c7609a475119/page.htm

--复旦大学