揭开自旋轨道光学拉比振荡的秘密
发布时间：2023-10-13 11:22:30 阅读数： 164
拉比振荡已被证明是量子力学的基石之一，引发了原子和分子物理学、声学和光学等不同学科的大量研究。从核磁共振成像和光谱学到量子信息处理，各种重要应用都已得到证实。
迄今为止，在拉比振荡中只揭示了自旋波和轨道波这两类独立的波态，而同时融合了自旋和轨道角动量的拉比波态却一直难以捉摸。
在发表于《光： 科学与应用》（Light: Science & Applications）上发表的一篇新论文中，由中国暨南大学光电工程系李震教授和傅申和教授领导的科学家团队及其合作者报告了一种新形式的拉比振荡，同时表现出自旋和轨道角动量。
为了揭示这一基本现象，他们建立了一个伪自旋-1/2 形式主义，并在光-晶体相互作用过程中光学合成了一个可控磁场。在此基础上，他们观测到了自旋角动量和轨道角动量在弱耦合和强耦合状态下，在光束相关合成磁场的驱动下同时发生的振荡。
a, b, 电可调合成磁场允许不同振荡模式之间的拉比转换：a, V = ±50 V（轨迹为蓝色和紫色）；b, V = ±200 V（轨迹为蓝色和紫色）。c，通过从 0 V 到 1000 V 的电压逐渐波动，自旋体从 A 点缓慢移动到初始位置，见蓝色曲线；同时改变电压符号，产生对称轨迹（紫色线）。作者：刘国华、张锡良、张鑫、胡彦文、李振、陈振强、傅申和
此外，他们还引入了一个电可调平台，允许精细控制不同拉比振荡模式之间的转换，从而发射出具有可调拓扑结构的轨道角动量光束。他们的成果构成了探索高阶自旋轨道耦合的一般框架，为在三维和四维空间操纵光的自旋和轨道角动量提供了途径。所报告的方法和技术将在经典光学和量子光学中找到潜在的应用。
在光学合成磁场的作用下，观察到的自旋轨道耦合拉比振荡表现为自旋和轨道角动量随耦合长度的同步振荡。
a、b，不同耦合长度下记录的干涉图：a，实验；b，模拟；c，相应耦合长度下光场的模拟相位分布。通讯作者：刘国华、张锡良、张鑫、胡彦文、李振、陈振强、傅申和
"我们通过类比描述量子粒子旋转的保利方程，建立了一个伪自旋-1/2 形式主义，并通过光晶相互作用光学合成了一个磁场。在该系统中，我们将右旋和左旋圆偏振涡旋光束定义为由合成磁场耦合的自旋上升和自旋下降等效光束，它们可以通过光束结构化或晶体工程学来完全控制。"
"由自旋和轨道角动量态叠加组成的结构光引起了人们的极大兴趣，因为它有望实现多维大容量数据复用。我们的平台允许对合成磁场进行时空调制，从而能够以三维和四维配置操纵结构光束，"科学家们说。
科学家们说："由于这种设置等同于量子力学和非线性光学中的保利方程所描述的设置，我们的成果为高阶制度中的自旋体操纵开辟了新的可能性"。
参考资料
Guohua Liu et al, Spin-orbit Rabi oscillations in optically synthesized magnetic fields, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01238-8
