非均匀各向异性介质中光学自旋轨道耦合及拓扑特性研究

Spin-photonics is an emerging interdisciplinary research topic, and spin photonic devices in analogy with the spin electronic devices are promising in applications via manipulating the photonic spin as well as light propagation. Spin photonic devices are realized by the spin-orbit interaction of light, the physic of which are not fully explored, due to the limitation of the theoretical tool, i.e., geometric phase, which are heavily used in the study of spin-orbit interaction of light. In this project, we use the non-Abelian gauge field theory to construct a rigorous physical model of the spin orbit interaction of light, and study the underlying principle of spin evolution and light beam propagation in inhomogeneous and anisotropic medium. We design and fabricate the liquid crystal sample, and demonstrate experimentally the non-Abelian effect of light, i.e., zitterbewegung. Based on the proposed model, we further study the photonic crystal fabricated from liquid crystal, and examine the topological properties that are related with the spin orbit interaction of light. Our research is relevant in understanding non Abelian optical effect associated with spin orbit interaction of light, and thus provides theoretical and experimental support for spin-photonics as well as spin photonic devices.

自旋光子学是一门新兴的交叉学科，具有良好的应用前景。人们期望通过对光学自旋和光束路径的操控，实现类似自旋电子器件的光子学器件。自旋光子器件依赖光学自旋轨道耦合来实现对光学自旋的操控，目前国内外的研究结果并未充分揭示这一物理过程的本质，原因是当前研究光学自旋轨道耦合的理论工具(即几何相位)不能用来分析自旋态间的演化。本项目采用非阿贝尔规范场的方法，建立非阿贝尔规范场描述形式下自旋轨道耦合的严格物理模型，揭示非均匀各向异性介质中的光波传输及自旋演化的物理规律。结合可调控液晶材料体系及光控取向技术，制备非均匀各向异性介质环境，从理论和实验角度研究非周期结构下的非阿贝尔光学震颤效应(zitterbewegung)及周期结构中的拓扑特性，揭示自旋轨道耦合及相关光学现象的物理本质。上述研究对于理解光学自旋轨道耦合产生的非阿贝尔光学现象有重要意义，也为自旋光子学及自旋光子器件的发展提供理论和技术支撑。

项目负责人陈云天教授围绕复杂结构中光传输和散射的科学问题，基于非均匀各向异性介质和光子晶体等光学结构，建立了非阿贝尔规范场描述形式下自旋轨道耦合的严格物理模型，揭示了非均匀各向异性介质中光波传输及自旋态演化的物理规律，发现了各向异性光子晶体中的隐藏对称性及其保护的奇特自旋轨道耦合，提出了一种基于非线性耦合环谐振腔阵列的光学可重构自旋-谷霍尔效应，在此基础上研究了光散射问题中辐射球面上的拓扑问题和对称性研究。本项目已按计划执行，研究目标基本完成，具体包括：（1）科学内容层面。针对光学非均匀各向异性复杂介质，在实空间引入规范变换，用几何光学思想处理波动光学问题，将光束等效为粒子，将偏振等效为自旋，将复杂介质中光与物质的相互作用等效为作用在自旋态上的规范场，进而首次建立了光学非阿贝尔规范场理论。在层叠各向异性光子晶体中，发现存在超出结构空间群的光学隐藏对称性，使得光子晶体具有比空间群对称性条件约束下更高的能带连通性，导致结构具有一种隐藏对称性保护的新型光学三重简并态。利用蜂窝状晶格的耦合环形谐振器的克尔非线性效应，提出了一种实现光学可重构自旋-谷霍尔效应的实验可行方案。将庞加莱-霍普夫定理拓展到光学中，提出了光散射问题中的全局拓扑不变量和光散射对称性。（2）研究成果层面。本项目在执行过程中，按照申请中指定的年度计划，开展了4年有延续性的系列研究。截止到2022年12月31日，已发表标注本项目支持的学术论文19篇。其中Nature Communications 1篇，Physics Review Letters 3篇，PNAS 1篇，Light: Science & Applications 1篇，Laser & Photonics Reviews 2篇，ACS Photonics 1篇，超额完成原定研究计划。项目执行期间，培养了3名博士生和2名硕士生，并培养构建了后续研究生梯队。