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自旋—轨道耦合是普遍存在的量子物理学效应

(2020-06-06 09:58:56)
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       在量子力学中,自旋—轨道耦合是指一个粒子因为自旋与轨道运动而产生的作用,称为自旋—轨道作用(英语:daoSpin–orbitinteraction),或自旋—轨道效应,也称为自旋—轨道耦合,是一种典型的相对论效应。最著名的例子是电子能级的位移。电子移动经过原子核的电场时,会产生电磁作用,电子的自旋与这电磁作用的耦合,形成了自旋—轨道作用。谱线分裂实验明显地侦测到电子能级的位移,证实了自旋—轨道作用理论的正确性。另外一个类似的例子是原子核壳层模型(shellmodel)能级的位移。半导体或其它新颖材料常常会涉及电子的自旋—轨道效应。近些年的研究表明,自旋—轨道耦合能产生很多新奇的量子物理效应,例如磁晶各向异性、自旋霍尔效应,伊辛超导、拓扑绝缘体、莫特绝缘体等,都与自旋—轨道耦合密切相关。在表面/界面体系中,由于结构反演不对称导致的自旋—轨道耦合,它最早在半导体材料中获得研究,并因其强度可由栅电压灵活调控而备受关注,成为电控磁性的重要物理基础之一。
       2020年6月,中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室光电材料动力学创新特区研究组研究员吴凯丰团队采用飞秒瞬态光谱技术,系统地研究了钙钛矿量子点体系的激子复合与自旋动力学,揭示了量子点尺寸与组分对俄歇复合和自旋驰豫寿命的影响,并基于光学斯塔克效应实现了对自旋态能量的操纵,对理解钙钛矿量子点的基本光物理及其在光电和量子器件方面的应用具有重要意义。吴凯丰团队采用圆偏振飞秒泵浦光共振激发自旋(或准自旋)量子态,并利用具有相同或相反圆偏振的飞秒光探测量子态信号的衰退或增长,以此获得自旋翻转动力学。研究结果表明,虽然量子限域可在一定程度抑制声子散射机制,但QD中存在着纳米尺寸诱导的超快自旋驰豫机制。这些机制包括电子—空穴交换作用,表面散射以及自旋与表面悬键自旋相互作用导致的自旋翻转等,且在不同材料中存在普适性的尺寸依赖规律。
       自旋—轨道效应在自旋电子学和量子信息学领域也有重要的基础研究价值。在吴凯丰团队研究中,因为铅元素导致强烈的自旋—轨道耦合,特别适合通过光学手段注入自旋并进行自旋相关性质的操纵。然而,自旋—轨道耦合在另一方面也导致快速的自旋翻转,限制了光生载流子的自旋寿命。吴凯丰团队提出,强限域的钙钛矿QD具有离散的带边能级,有可能通过抑制声子散射的方式延长自旋寿命。除了测量自旋寿命以外,吴凯丰团队还基于圆偏振飞秒泵浦探测技术在室温下实现了对钙钛矿QD自旋态的纯光学手段操纵,即光学斯塔克效应(OSE)。量子限域使得钙钛矿QD的带边激子跃迁具有很大的振子强度,特别适合用于观测OSE。该团队采用非共振的圆偏振飞秒光泵浦样品,在采用相同偏振的飞秒光探测样品时观测到巨大的斯塔克位移,使得原本简并的自旋态能量劈裂达到近10 meV。根据斯塔克位移得到的QD带边跃迁偶极矩与文献中各类材料报道的最高值相当。该结果表明,钙钛矿QD在基于光学自旋操纵的量子信息学领域确有重要应用前景。
       在具有晶格旋转对称的二维材料中,电子的运动轨道会出现能量简并(如面内pxy轨道),该轨道自由度为探索自旋—轨道耦合的新物理提供了可能。由于自旋—轨道耦合效应,顺时针和逆时针的面内电子轨道会产生垂直平面的、方向相反的有效磁场。在该内禀磁场影响下,电子自旋被极化,极化方向朝面外。当空间反演对称存在时,尽管电子能带处处自旋简并,但自旋相反的电子被绑定在反向运动的轨道上(即“自旋—轨道绑定”)。值得一提的是,在实际材料中,自旋—轨道耦合能产生高达上千特斯拉的内禀磁场(对重元素材料而言),它能有效地抵抗与之垂直的外加面内磁场(通常小于几十特斯拉),从而将对材料的电、磁、光和超导性质产生重要影响。这类材料体系的超导态可以有效地抵抗面内强磁场。理论计算表明,它们的超导上临界场远高于一般超导体,能显著突破泡利极限。
       另外,研究表明磁斯格明子(magnetic skyrmion)也是一种由电子自旋—轨道耦合相互作用形成的具有微纳米尺度的电子自旋涡旋结构。近年来,人们研究发现,光的自旋和轨道角动量之间的相互耦合能产生出许多与电子自旋类似的物理效应,包括自旋霍尔效应、量子自旋霍尔效应等。深圳大学纳米光子学研究中心杜路平、袁小聪教授研究团队发现,在光学近场条件下,光的自旋—轨道角动量之间的耦合会形成一种与磁斯格明子相同的光学自旋分布。对于隐失波条件下的光学旋涡光场,其自旋矢量分布呈现一种Neel类型的斯格明子的态,即自旋矢量沿着空间径向方向从向上(或向下)的态逐渐转变为向下(或向上),取决于光学旋涡的旋转方向。而对于紧聚焦条件下的光学旋涡光场,其自旋矢量分布呈现一种Bloch类型的斯格明子(自旋矢量沿着空间角向方向变化)。杜路平、袁小聪教授研究团队在国际上首次发现并报道了近场光学旋涡中由光的自旋—轨道耦合形成的光学斯格明子结构。 
       在螺旋光的研究中,光的一个有前途的特征与角动量有关。光具有角动量,就像物理物体在空间中转动一样,即使光没有质量。这样,当光照射到物体上时,它会物体施加力。光的线性动量在光的移动方向上施加推力,而角动量则施加转矩。一束光束可以具有两种角动量。光线的自旋角动量可以使发光的对象旋转到位,而其轨道角动量可以使对象绕射线的中心旋转。带有轨道角动量的光束像漩涡一样,以螺旋状的形式像开瓶器一样在太空中移动。常规光束的中心最亮,而涡流光束的环形形状在中心较暗,这是由于组成涡流光束的某些波如何相互干扰。
       对于光也存在自旋—轨道耦合效应。2019年11月,中国科学院院士、物理科学与技术学院教授徐红星研究组在光子自旋—轨道耦合效应领域取得重要进展,实现手性拉曼信号的定向耦合。电磁场的空间局域可以显著增强光的自旋—轨道耦合相互作用。对于局域在不同介质的界面上的表面波,例如表面等离激元,自旋—轨道耦合效应体现为表面波的横向自旋角动量与该表面波的传播方向存在一对一的关联性。这类自旋—传播方向锁定效应可用来操纵小颗粒的光散射或光发射体的辐射方向,用于实现纳米光子学或量子光学的功能性器件。然而,以往的研究只局限于调控弹性散射或者荧光发射行为,而对于非弹性散射的光信息操纵却从未涉及。他们在前期工作(Phys. Rev. Lett. 117, 166803 (2016))的基础上,徐红星课题组拓展光的自旋动量锁定效应至非弹性散射领域(拉曼散射),利用单根银纳米线对二维材料的手性拉曼信号实现了定向操纵。实验上证明手性拉曼与表面等离激元的定向性耦合高达91.5 ± 0.5%,逼近理论极限。研究表明该定向性高度依赖于局域的自旋场密度以及拉曼信号的圆偏振度,同时不受入射激光波长的限制。光的自旋—轨道相互作用的延伸与应用,丰富了传统的手性光子学的内容,为基于非弹性散射的光信息处理操纵等微纳器件提供了新的方案。
      扭曲的光束可以提高电信数据传输速率,宾夕法尼亚大学涡旋激光器以光围绕其行进轴螺旋运动的方式而得名,这要归功于它的轨道角动量(OAM)特性。不同的OAM“模式”对应于那些螺旋的方向和间距。给定足够灵敏的激光器和检测器,这些模式可能是可以传输信息的另一特性。
     光的自旋—轨道耦合可以提供更高维度的信息编码资源,可以让光子携带更多数据信息。



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