超常材料中光的霍尔效应研究

光的霍尔效应是最近发现的一种新的光学现象，它是指光束或波包经过非均匀介质后，自旋或轨道角动量相反的光子相互分离而聚集于光束两侧，造成光束分裂的现象。光的霍尔效应预计在纳米光学、量子信息等方面具有重要的应用前景。光霍尔效应的强弱与介质折射率变化的梯度大小相关，超常材料可实现从零折射率到超高折射率的变化，为增强光霍尔效应提供了一条可行途径。本项目首次提出开展超常材料中光霍尔效应的基础理论研究,着重研究光的自旋霍尔效应和轨道霍尔效应在超常材料中的独特性质，并建立基于积分方程的严格理论方法，阐明其物理机制。在此基础上，研究如何利用不同折射率超常材料及其不同结构来增强光的霍尔效应，探索根据变换光学理论设计超常材料精确调控光霍尔效应的机制和方法。

我们严格按照计划开展超常材料中光的霍尔效应研究。首先，我们提出超常材料中光传输的严格理论，推出光束传播矢量模型，建立光的霍尔效应精确的物理模型。从而研究光的霍尔效应在超常材料中的新现象、新性质，揭示物理本质。我们发现：自旋霍尔效应的方向与折射率梯度有关，而与材料的折射率正负无关；负折射介质中的自旋霍尔效应并不与常规介质中的相反。其微观物理机制是，光子霍尔效应是由自旋角动量决定，负折射介质中自旋角动量因守恒没有反转。在此基础上，找到了利用多层介质共振机制和Brewster角来调控光霍尔效应的方法。最后，我们还探索了根据变换光学理论设计超常材料精确调控光霍尔效应，发现这是可行的。截至目前，我们已经发表SCI论文6篇，其中一篇入选美国物理评论A杂志万花筒，培养硕士研究生5名，基本完成了项目计划的研究内容，总体达到了预期研究目标。总之，我们研究了超常材料中光霍尔效应的性质，揭示了物理机制，找到了调控方法。研究结果深化了光束的传播理论，而且为发展基于光霍尔效应的光子器件提供了理论基础。