我校微納光電子學研究院袁小聰教授領導的納米光子學研究中心在自旋光子學領域取得了重要原創成果，于2021年2月1日在國際頂級學術期刊美國科學院院報《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》上發表了題為《Transverse spin dynamics in structured electromagnetic guided waves》的文章。該中心石鵬助理教授、杜路平教授為共同第一作者，杜路平教授、袁小聰教授以及英國倫敦大學國王學院Anatoly. V. Zayats教授為共同通訊作者，深圳大學是該文章的第一單位和第一通訊單位。

自惠更斯和愛因斯坦的前瞻性工作以來，光被廣泛認可其具有波粒二象性。光的波動特性體現在光具有振幅、相位、偏振等自由度。所有經典的光波動力學現象，包括傳播、色散、散射、衍射、干涉、和物質相互作用等，都源于光場的波動特性并可以用麥克斯韋方程組來描述。光的粒子特性使其具有動量、自旋角動量和軌道角動量自由度。一般來說，光學自旋角動量與左右旋圓偏振光相關聯，且其方向與光場傳播方向相平行，因此可以看作縱向自旋。近年來，通過對近場光場的深入研究，科學家發現了另一種自旋矢量的方向與光場傳播方向垂直的自旋形態：橫向自旋。橫向自旋廣泛存在于結構光場中，且具有單向性激發和散射的特性，在傳感、納米計量和魯棒性的單向輻射量子器件等應用領域有著重要的應用前景。同時，對橫向自旋的研究拓展了光學自旋軌道相互作用理論的范疇，開拓了自旋光學一個新的研究領域。但是長久以來，基于橫向自旋的理論研究仍存在一些尚待解決的問題，比如橫向自旋的產生機理和橫向自旋的界定，限制了橫向自旋光學領域的進一步發展。

針對橫向自旋的研究，我校微納光電子學研究院納米光子學研究中心團隊通過近場光場的光學自旋軌道耦合研究，發現了對于任意限制光場都適用的內秉光學自旋動量定律。該定律首先揭示了光場橫向自旋的產生源于光場的動量不均勻性，并與動量的橫向梯度成正比；因此，該自旋動量定律反過來可用于界定橫向自旋。其次，該定律預示了任意結構光場的自旋和動量之間的綁定關系，可以類比電子系統的自旋動量綁定。這是在國際上首次發現并報道了結構光場的自旋動量綁定性質并揭示橫向自旋的產生機理。研究團隊更進一步通過該自旋動量綁定方程，構造了一組類麥克斯韋方程組的自旋動量方程組。此前，研究人員都是通過光的電磁場性質來衡量光場的自旋軌道相互作用。該自旋動量方程的發現，使得研究人員可以掙脫原有的框架，在不了解任何光的電磁場性質的情況下，通過赫茲勢來表征近場光場的自旋動量關系和自旋軌道相互作用。

更有意思的是在應用領域，該自旋動量方程組揭示了光學手性拓撲孤立子（如：光學斯格明子，光學半子）的產生機理，光學自旋態沿著光子動量的方向從向上（或向下）的態逐漸轉變為向下（或向上）的態，且它們之間滿足右手定則。該橫向自旋構造的光學手性拓撲孤立子在光學計量、光學傳感、光學存儲和量子信息處理等領域具有廣泛的應用前景。

該研究成果鏈接：https://www.pnas.org/content/118/6/e2018816118

該研究得到廣東省基礎與應用基礎重大項目（項目號：2020B0301030009），國家自然科學基金重點項目（項目號：61935013）、國家自然科學基金-廣東省聯合項目集成項目（項目號：U1701661），廣東省領軍人才項目（項目號：00201505）、特支計劃，深圳市孔雀團隊，深圳市布局項目等資助。

（微納光電子學研究院  供稿）