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北京大学极端光学团队在强激光光子的自旋轨道相互作用研究中取得新进展

来源:北京大学物理学院和光行天下2021-01-18 我要评论(0 )   

微观粒子的自旋角动量和轨道角动量是描述粒子复杂动力学行为中最基本的两个物理量,这两个角动量之间的耦合普遍存在于自然界之中。光子的自旋-轨道相互作用,在光与物质...

微观粒子的自旋角动量和轨道角动量是描述粒子复杂动力学行为中最基本的两个物理量,这两个角动量之间的耦合普遍存在于自然界之中。光子的自旋-轨道相互作用,在光与物质相互作用的研究以及应用中具有举足轻重的意义。光子的自旋-轨道相互作用可以分为自旋-轨道转换和轨道-自旋转换。光子的自旋-轨道转换在近十年来得到广泛的研究,然而它的逆过程——轨道-自旋转换至今仍未在实验中得到很好的观测和调控。

随着超短脉冲激光技术的飞速发展,超强飞秒激光的光场能量在时空中的高度集中,使得聚焦后的激光场强度可以远远超过原子内部库仑场(I>1016W/cm2)。对于如此强的激光场的自旋态-轨道态及其耦合,可以调控强光与物质的许多非线性相互作用过程。但由于巨大的光子能量密度,传统的光学方法,譬如近场重构技术,在强场领域已经完全失效,揭示强激光场中光子的自旋-轨道相互作用是一个没有解决且非常重要的问题。

上:光场的轨道-自旋相互作用及光电子成像实验示意;下:实验结果及理论模拟

人工微结构和介观物理国家重点实验室“极端光学创新研究团队”刘运全教授和龚旗煌院士等结合高分辨光电子成像技术,对光场调控对强激光场中光子自旋轨道相互作用进行了开创性研究。他们利用超结构波片和螺旋相位板将平面波制备成径向偏振的光涡旋,并借助狭缝控制光场的空间形状,在此过程中,光子始终只具有轨道角动量而不具有自旋角动量。进一步,将得到的合成结构光场进行聚焦,通过理论模拟,他们发现焦点的光场会耦合出自旋角动量。他们借助光电离这一非线性过程对超强激光光场的轨道角动量和自旋角动量转换进行表征。通过冷靶反冲离子电子动量成像谱仪(COLTRIMS)实验装置,测量结构光场与Xe原子相互作用的光电子动量分布。实验发现,通过控制狭缝间距,Xe原子电离产生的光电子动量分布会随着狭缝间距的减小发生明显变化,光电子动量分布逐渐从类似于圆偏光场作用形成的光电子动量分布【M. M. Liu et al.,Phys. Rev. Lett. 120, 043201(2018)】, 逐渐变成了类似线偏光作用下形成的光电子动量分布【M. Li et al.,Phys. Rev. Lett. 023006 (2013)】。实验结果直接证明了结构光场发生了轨道自旋转化,转化得到的自旋角动量通过光电子动量得到了非常直观的体现。实现强激光场光子轨道角动量-自旋角动量的转换,可以广泛应用于产生具有高轨道态、自旋态可控的极紫外光子束和电子束等。

相关研究以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields”为题于近日发表在《自然·光子学》上。研究论文第一作者是博士生方一奇,研究工作得到了国家自然科学基金委、人工微结构和介观物理国家重点实验室、教育部纳光电子前沿研究中心、量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室极端光学创新研究团队古英教授和龚旗煌教授等在腔量子电动力学和拓扑光子学的交叉研究中取得重要进展:提出了拓扑保护下的边界态主导的模式耦合机制,在此基础上发现了腔量子电动力学弱耦合体系在拓扑光子晶体中的珀塞尔增强的吸收减少效应,并实现了高光子收集效率。相关研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。

拓扑光子晶体的拓扑态具有光子无散射传播和免疫缺陷的拓扑保护特点,被越来越多地运用在微纳光子学和量子光学器件上,成为重要的光学新兴领域。微纳尺度的单光子源是片上量子信息处理的重要部分,利用微纳光子器件结构的局域场增强来改善单光子自发辐射是实现单光子源的关键原理,但无法避免散射和吸收造成的损耗,且在传输中单光子收集效率不高。研究团队首先提出了由拓扑态主导的模式耦合的原理,通过精心设计光学模式,将金属纳腔置于一维拓扑光子晶体中(图1(a)),通过拓扑态主导模式耦合的机制(图1(b)),实现了超大的珀塞尔增强,并得到了珀塞尔增强的吸收减少效应(图1(c, d))。同时,通过利用拓扑边界态作为光子传输通道,使得非吸收损耗的光子几乎全部被收集的高光子收集效率(图1(d)),最大光子收集率达到了79.5%。这种拓扑态主导模式耦合机制和相应的吸收减少效应,可以拓展到更高维度的光子结构上,对以后的拓扑光子晶体和微纳尺度腔量子电动力学的研究产生重要影响。同时,无散射的大珀塞尔增强可以应用在片上量子光源的制备上。

图1(a) 嵌入金属纳腔的一维拓扑光子晶体示意图;(b) 拓扑态主导的模式耦合机制示意图;(c) 无拓扑光子晶体环境的金属纳腔中珀塞尔增强;(d) 拓扑保护下的金属纳腔的珀塞尔增强。

北京大学博士生钱祉源是文章第一作者,本科生李智超是第二作者,古英教授为通讯作者。中山大学董建文教授参与合作研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、广东省重点研发计划等的支持。

相关链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023901


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北京大学光学团队强激光光子
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