非偏振光中的横向自旋

原创 长光所Light中心 中国光学 收录于话题#横向自旋1个

撰稿人 | 杨大海（哈尔滨工业大学 博士生）

在没有阅读本篇前沿文献之前，我的脑海里也留存着这样的一个误导性认识，也就是“无偏振就无自旋”。为什么会留存有这样的一个观点？

艺术插图/来源：长春光机所，Light学术出版中心,，新媒体工作组

在进行自我思维溯源的过程中，我想这应该是由于在光自旋角动量的学习过程中，往往选择的是利用圆偏振光来进行理论分析和实验证明而引起的。其次，对于光子而言，自旋的一个普遍解释是它与光子的圆偏振有关（在傍轴近似下），而后期的理论分析也正是基于这个基础来进行的。

一个单一平面电磁波携带有纵向自旋角动量

（这种自旋角动量是由圆偏振波中的电场和磁场的旋转产生）

图源：Phys. Rep. 592, 1–38 (2015); 图1（b）

近日，发表在Nature Photonics的文章“Transverse spinning of unpolarized light”，为自旋角动量的进一步研究表明了“真身”。

众所周知，光具有自旋角动量，也就是光子的自旋角动量，直接与光的圆偏振有关。然而，对于完全非偏振光来说，偏振是不确定的，好像自旋轨道角动量也就消失了（自然光的光矢量振动在各个方向上是随机且平均的）。

在通常的研究中，往往不计光矢量的方向性，可以利用标量的分析方法或者利用光矢量的某一直角坐标分量来进行研究，所得的结果也可以相当近似。但是，对于非傍轴光，最近发现的一系列报道中显示，与主传播方向正交的横向自旋分量，在很大程度上与波的偏振态无关。

全内反射表面倏逝场中产生的横向自旋角动量

图源：Transverse spinning of unpolarized light. Nat. Photonics (2020). 图3a

图译：杨大海（撰稿人）

在本篇文献中，作者们从理论和实验上证明：即使在由完全非偏振傍轴光中产生的非傍轴场，例如：紧聚焦和倏逝场中；光波的横向自旋仍然存在。

自从1924年，沃尔夫冈·泡利提出不相容原理以来，后历经科学家们的发展延伸，逐渐形成自旋角动量的理论，它也被广泛的接受为基本粒子的固有属性。自旋角动量的提出，最初是从研究原子的基本构成电子开始的，几个非常重要而且有名的实验，例如：斯特恩—盖拉赫实验（S-G）、正常Zeeman效应和反常Zeeman效应等，都为自旋角动量的发展提供了有力的证明。再到后来，经过大科学家普朗克、爱因斯坦等人的发展，光子的概念被提了出来，到如今光的波粒二象性已然成为研究光和微观粒子物质波的“圣经”。虽然，爱因斯坦等人提出光子同样具有电子的行为，而光子的本征属性角动量的实验在后来几年，确实被证明了出来。

1927年，索维尔会议合照（从左往右的排序如下）

第一排：欧文·朗缪尔、马克斯·普朗克、玛丽·居里、亨德里克·洛伦兹、阿尔伯特·爱因斯坦、保罗·朗之万、Ch. E. Guye、C.T.R.威尔逊、O.W.里查森；

第二排：彼得·德拜、马丁·努森、威廉·劳伦斯·布拉格、Hendrik Anthony Kramers、保罗·狄拉克、亚瑟·康普顿、路易·德布罗意、马克斯·波恩、尼尔斯·玻尔；

第三排：奥古斯特·皮卡尔德、E. Henriot、保罗·埃伦费斯特、Ed. Herzen、Théophile de Donder、埃尔温·薛定谔、E. Verschaffelt、沃尔夫冈·泡利、沃纳·海森堡、R.H.福勒、里昂·布里渊。

图源：百度百科

在1936年，贝斯（Richard A. Beth）利用偏振光通过双折板的悬丝扭矩实验证明了光具有角动量。

光的角动量可以分为两个部分：自旋角动量(SAM)和轨道角动量(OAM)。前者与光的偏振有关，导致粒子绕自身的轴旋转，而后者源自光的相位结构。一般来说，这两种角动量导致的旋转轴是平行于光束传播轴的，在按照傍轴近似来进行分析时。

近些年来，得益于高、精、尖科研手段的发展，科学家们在研究变换场，如紧聚焦光场和倏逝波时，发现了垂直于光束传播方向的光子横向自旋角动量。

其定义：在紧聚焦光场（高数值孔径聚焦）、倏逝波光场、干涉光场等中，光束不再是准直的，光子会携带一个兼具横向和纵向成分的电场，纵向成分平行于光束的传播方向。此外，当纵向电场分量与横向电场分量正交(具有π/2的相位差)时，光在光束传播轴的子午面或传播平面上是椭圆偏振光。在这种情况下，电场矢量绕着垂直于子午面的轴旋转，这种圆周运动最终决定了光子具有横向自旋角动量。

纵向和横向自旋光的对比示意图：

a)自由空间中的纵向自旋光；

b)表面波横向自旋光。

图源：Nature Photonics | Vol 9 | December 2015；图1

具有横向自旋角动量的现象，通常称之为“光学轮子”。虽然，近几年来对横向自旋的研究已初步形成，但仍然有这样的几个疑问；

1、在光源的选择上通常用的是像激光类的傍轴光源，如果是自然光又会是怎样？

2、在第一个问题的基础上，如果入射场是非偏振光，那么对横向自旋的测量又会有什么影响？

3、现有的理论是否能够完备的描述横向自旋角动量？

通过国际合作研究小组科学家们的理论分析和实验证明发现：

1、在自然光的入射下，在像全内反射和倏逝场的情况中，仍然具有非零的横向自旋分量，初始光束的偏振实际上并不影响横向自旋的测量。

2、一旦考虑到电场的纵向分量，光场就不再是二维现象，而必须用三维来描述。

3、一束在二维场中的完全非偏振光，在三维场中也有非零的偏振分量。

任意光场在进行光学变换时具有横向自旋的理论分析示意图

（S⊥表示横向自旋分量）

图源：Transverse spinning of unpolarized light. Nat. Photonics (2020). 图1.

其实，在进行上述实验时，研究者们发现要怎样设置一个非偏振光源才是比较困难的，在进行紧聚焦（光源利用液晶延迟器来产生均匀偏振的高斯光）和全内反射（光源利用钨丝灯）这两个手段来实现非偏振光的横向自旋的观测和测量。而且扩展的三维理论分析与实验结果做到了很好的匹配。可以得出：

1、横向自旋不仅仅是自旋角动量密度的一个分量，而是一种独立的物理实体，其主要特征完全不同于通常的偏振光或光子的纵向自旋。

2、新的观测扩展了对什么是自旋轨道角动量的基本认识，也进一步推动了到底什么是自旋角动量的思考。

3、横向自旋同样也存在于非均匀声波(传统上认为是标量，即无自旋)、量子电子波甚至引力波中。

在应用方面，横向自旋可能对于光子电路中的光开关和路由有优势。但不论怎样，在对微观世界和宏观宇宙的探索中，总要有人去做一些事，哪怕这些事在现在看来是没有任何应用价值的。

文章信息

Eismann, J.S., Nicholls, L.H., Roth, D.J. et al. Transverse spinning of unpolarized light. Nat. Photonics (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-00733-3

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参考资料

1. July 15, 1936 Physical Review vol 50；Mechanical Detection and Measurement of the Angular Momentum of Light；

2. Bliokh, K. Y. & Nori, F. Transverse and longitudinal angular momenta of light. Phys. Rep. 592, 1–38 (2015)；

3. Andrea Aiello , Peter Banzer . From transverse angular momentum to photonic wheels. Nature Photonic. 2015 | DOI: 10.1038/NPHOTON.2015.203；

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原标题：《Nature Photonics | 非偏振光中的横向自旋》

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