电气工程合成磁场用于极化光子
科研报道：合成磁场在偏振光子的电控工程
学术背景及研究目的
近年来，合成规理论（synthetic gauge theory）在非磁性光子系统中已经展现了其在控制光传播及其状态演化方面的潜力。然而，此前通过不同机制生成的合成磁场在控制光子偏振方面均未能取得明显成效。此外，以往报道的磁场通常是在固定几何配置下合成，难以实现调控。因此，对于光子的工程合成磁场仍然是一个充满挑战的课题。本文提出了一个普遍的自旋1/2理论框架，并在工程化的各向异性介质中合成了用于控制不同偏振光子的磁化向量。
论文来源
本文由Guohua Liu，Zepei Zeng，Haolin Lin，Yanwen Hu，Zhen Li，Zhenqiang Chen和Shenhe Fu等人撰写，所属机构包括Jinan University的College of Physics & Optoelectronic Engineering，Guangdong Provincial Key Laboratory of Optical Fiber Sensing and Communications和Guangdong Provincial Engineering Research Center of Crystal and Laser Technology。论文于2024年7月11日在《Optica》的第11卷第7期发表。论文的DOI为https://doi.org/10.1364/optica.527811。
研究流程
理论模型
研究从电子自旋在空间变化磁场中的输运现象出发，通过引入类似Pauli方程的框架，以合成光子介质中不同偏振态光子的相干耦合为基础。利用Maxwell理论推导了自旋波函数的两分量运动方程，其中，通过电控各向异性介质实现了合成磁场。我们定义了一个相位失配量，并通过空间依赖的相位失配贡献了一个合成磁场，实现对光子磁矩的电控。
实验系统设计
实验系统基于电控LiNbO3晶体设计，其中，通过施加空间变化的外部电场实现横向调制。利用电光效应，调节不同主折射率的空间分布，进而控制合成磁场的梯度。我们通过将入射光束对准晶体的光轴，使光子沿光轴传播，并通过三块波片（半波片、四分之一波片和涡旋波片）来实现初始自旋态的制备。
实验步骤
- 光子偏转与分裂实验：在施加电压的情况下，通过观测光子偏转和分裂，验证了合成磁场对偏振光子的Lorentz力。
- 复杂自旋纹理的分离实验：通过工程化具有非平凡拓扑结构的自旋纹理，验证了高阶Stern-Gerlach效应。
实验结果与数据分析
通过实验，成功观察到在不同电压下，光子自旋的分离效应。实验结果表明，在地球磁场作用下，光子确实经历了与微弱磁场带来的外部横向力。这与量子自旋Stern-Gerlach效应具备相似的分离距离和轨迹。通过模拟实验验证了实验结果的真实性。
此外，我们通过实验实现了高阶Stern-Gerlach效应，在合成磁场作用下，观测到了具有非平凡拓扑波前的光子分裂。
研究结论和意义
通过构建一个普遍的自旋1/2理论框架并在工程化的光子介质中实现合成磁场，本文提出了一种新的光子磁矩操纵方法。合成磁场能够电控各向异性介质，导致光子的磁效应，进而实现包括偏振选择与转换在内的多种应用。该研究不仅有助于探索量子自旋输运现象，也为以偏振光子为核心的光学器件设计提供了新的思路。
研究亮点
- 成功构建了等效自旋1/2光子的理论模型。
- 实验验证了偏振光子在合成磁场中的Lorentz力效应，并首次实现了高阶Stern-Gerlach效应。
- 提出了能够电控光子磁矩的工程平台，有助于未来在偏振选择与转换等领域的应用。
进一步研究展望
本文所展示的合成两能级系统不仅与量子两能级系统相当，也能类比非线性光学中的各类系统（如表1所示）。这些类比为探索使用偏振光子的其他自旋输运现象提供了诸多可能。未来研究可考虑设计适当的合成磁场，以实现拓扑（伪）自旋Hall效应或确定晶体几何，以产生径向对称的伪Lorentz力，从而控制伪自旋。这些探索将进一步推进合成磁场在实际应用中的使用。
本文通过理论和实验研究，揭示了光子自旋在合成磁场中的输运现象，提供了新机遇以探索偏振光子在经典和量子信息处理中的应用。