約132年前，日本化學學家霍爾（EdwinHall，1855-1938）發(fā)覺，當電壓通過磁場中的導體時，在垂直于電壓和磁場方向的導體右側會出現(xiàn)電勢差．這一現(xiàn)象后來被稱為霍爾效應（Hall），本質上，它是運動的自旋在磁場中遭到洛倫茲力的作用而形成縱向運動的結果．精典霍爾效應被發(fā)覺以后的一百多年，反常霍爾效應、整數(shù)量子霍爾效應、分數(shù)量子霍爾效應、自旋霍爾效應和軌道霍爾效應等又陸續(xù)被發(fā)覺，它們構成了一個霍爾效應家族．霍爾效應家族因其非常重要的科學意義和應用價值而仍然遭到廣泛關注，僅從有關霍爾效應的研究成果曾兩度獲得諾貝爾獎就可見一斑．1985和1998年諾貝爾化學學獎分別授與整數(shù)量子霍爾效應的發(fā)覺者克利青(Klausvon)和分數(shù)量子霍爾效應的發(fā)覺者崔琦等人．
近來幾年，一種新型的霍爾效應——自旋霍爾效應（SpinHall，SHE），導致人們的強烈興趣，自2004年被英國加洲學院圣巴巴拉學校團隊[1]首次在實驗上觀測到以來，已成為目前匯聚態(tài)化學中一個相當熱門的研究方向．因為相對論效應載流子-軌道耦合作用的存在，人們發(fā)覺在這樣的體系中，在沒有外加磁場條件下雖然是在非磁性材料中，也存在類似的霍爾效應：載流子向下的電子和載流子向上的電子分別向兩側運動進而分離開來．與往年跟電荷相關的霍爾效應完全不同，這些霍爾效應與電子的載流子密切相關．因為電子的載流子與電荷一樣，可以拿來存儲和傳遞信息，但是載流子霍爾效應中的電壓幾乎沒有能量損失，也就是說不會發(fā)熱，因此引起了科學界對研發(fā)新的電子元元件的構想[2]．
如上所述的各類霍爾效應都是針對電子等帶電粒子的．不僅電子以外，其它粒子非常是中性粒子是否也有類似的霍爾效應？2004年，美國AIST的Onoda等人[3]從理論上明晰提出，光子在介質分界面上反射或折射時同樣存在類似于電子SHE的光載流子霍爾效應（SpinHallofLight，SHEL）：在介質折射率梯度飾演的外場作用下，光束或波包沿垂直于折射率梯度方向發(fā)生載流子分裂．2008年，加拿大學院和Kwiat[4]借助弱檢測（Weak）方式，首次從實驗上否認了這一現(xiàn)象．與電子SHE引起科學界對研發(fā)新的電子元元件的構想一樣光折射的原因 量子物理，光子作為現(xiàn)今時代信息和能量的重要載體，人們完全有理由期盼SHEL的研究將造成新型光子學元件的形成，并可能衍生出一門類似于載流子電子學()的新學科——自旋光子學(Spin-)[5,6]．這里對SHEL作一簡單介紹．
電子SHE依賴于兩個關鍵誘因：電子的載流子-軌道角動量耦合及其造成這些耦合作用的橫向加載的電場．光子既有內在的載流子角動量（與圓偏振光的手性相關），也有外在的軌道角動量（與螺旋相位有關）．為此人們自然有理由猜想，光子的載流子-軌道角動量耦合應當也能形成光的SHE．關鍵問題是：誰來飾演外場的角色以及怎樣形成光子的載流子-軌道角動量耦合作用？
光子有載流子但卻因其為中性粒子而無磁矩,因而難以用外加場的方式去改變其載流子軸的方向．但因為光子載流子軸的方向與傳播方向一致，因此使我們想到若改變光的傳播方向將會改變光的載流子態(tài)，即載流子矢量在空間的指向；而改變光的傳播方向最簡單直接的方法是借助光的反射和折射，其本質是改變光在其中傳播的介質的折射率．在和Kwiat[4]首次觀測SHEL的實驗中，正是介質分界面上折射率的前饋變化（折射率梯度）充當了電子SHE中外加電場的角色，而圓偏振的右旋和左旋份量分別充當了上旋和下旋電子的角色．因而，相較于電子SHE，SHEL表現(xiàn)下來的特點是圓偏振的右旋和左旋份量最后在垂直于入射面的縱向形成一個很小的相對位移，如圖1所示．在同一年等人[5]報導的SHEL實驗中，將光掠入射到一根圓錐形玻璃介質中，圓錐形的介面使光在其中沿螺旋形軌跡傳播，因而不斷改變光子的載流子角動量并造成載流子-軌道角動量耦合，從而形成了類似的光束分裂，如圖2所示．由此我們還可以想像，若把一根光纖繞成螺旋狀，光在其中傳播將很容易形成載流子-軌道角動量耦合．
圖1光束在介質折射率梯度（空氣-玻璃界面）飾演的外場作用下，沿垂直于折射率梯度方向發(fā)生載流子分裂．右上：入射光束為線偏振光高斯形的硬度分布．右下：折射光束硬度出現(xiàn)載流子分裂（白線）．借助弱檢測方式使兩載流子份量相消干涉產生硬度較弱的單個高斯形硬度分布（藍線或灰線），因而可以明顯地放大光場重心的橫移（約104倍）．（詳見參考文獻[4,7]）
圖2檢測光束在圓錐形玻璃棒中傳輸時的SHEL實驗裝置．Laser：波長為633nm的He-Ne激光器；P1和P2：格蘭激光偏振光鏡；LCVR：可調諧液晶波片；Prism：直角棱鏡；：圓錐形玻璃棒；QWP：1/4波片；lens：成像透鏡；：圖象傳感．（詳見參考文獻[5]）
從SHEL表現(xiàn)下來的特點看，它顯然違反了精典幾何光學，或則說它很難單獨用精典幾何光學（如Snell定理和公式）來解釋．牛頓光學覺得：當一束光在介質分界面上反射和折射時，反射光和折射光都處于入射面內．但是，這違反了光的角動量守恒定理．1955年，[8]在理論上預言：當一束圓偏振發(fā)生全內反射時，光束重心將形成一個垂直于入射面的縱向飄移．當考慮了這一縱向飄移后，光在反射時滿足角動量守恒定理．1972年，[9]實驗否認了這一現(xiàn)象．后來這一現(xiàn)象被稱為-效應．雖然，SHEL本質上就是-效應．
-效應關注的是單一圓偏振的光束重心的縱向甩尾現(xiàn)象，甩尾方向與圓偏振光的旋轉方向相關．光波的偏振光是大量光子集合的宏觀概念．精典電動熱學告訴我們：不同的偏振光態(tài)描述了光波的電矢量的各類不同的震動方向和方法；線偏振光、橢圓偏振光、部份偏振光等光束都可以由作為基礎的左、右旋圓偏振束組合而成．也就是說，一束線偏振可以分解為兩束同頻度的左旋和右旋圓偏振．因而，基于-效應可以推測，一束線偏振在全反射時其左旋和右旋圓偏振光份量將依其旋轉方向而沿縱向向不同方向分裂，弄成兩束光，這些現(xiàn)象正是所謂的SHEL．
SHEL造成的光束縱向分裂值很小，一般在亞波長尺度，所以實驗上通常很難觀察到．和Kwiat[4]里程碑式的實驗工作，其意義除了在于首次從實驗上觀測到了SHEL，還在于實現(xiàn)了20年前等人[9]的預言：借助弱檢測技術可以放大并檢測很小的效應．理論上，SHEL造成的光束縱向分裂的定量公式至今仍有好多分歧．但業(yè)已清楚的是，SHEL造成的光束縱向分裂值與入射光的波長成反比，而且隨入射角明顯變化：正入射時SHEL消失，掠入射即入射角接近90°時分裂最顯著；據(jù)悉，顯而易見的是，SHEL與介質的折射率有關，因此包含了構成介質分界面的材料信息，這既為借助材料特點操控SHEL，也為借助SHEL研究材料特點及其中的化學現(xiàn)象提供了可能．
可以從多個角度解釋SHEL形成的誘因．基于光子載流子與光波偏振光之間的關系以及光子的弱冠動量守恒，可以對這一現(xiàn)象提供一個簡單直觀的解釋．因為光波具有動量，因此當剖析光波的電矢量處于旋轉狀態(tài)時，人們必將想到左、右旋圓偏振具有一定的角動量．事實上，依據(jù)量子熱學，每位光子都攜帶角動量，其大小為h-bar（約化普朗克常量）,也就是說，任何頻度的光子都具有相同大小的角動量，這些固有的化學現(xiàn)象稱為光子的載流子；載流子角動量的方向取決于圓偏振光是右旋還是左旋：右旋和左旋（光子載流子方向分別平行和反平行于光束傳播方向）圓偏振光光子分別具有+h-bar和-h-bar的角動量．因任何一個微觀粒子具有的角動量是它的載流子角動量與軌道角動量之和，而光子載流子軸的方向與傳播方向一致，所以若只考慮沿光的傳播方向上的弱冠動量，則此時的軌道角動量為零，也即光子在傳播方向上總的角動量就是其自身的載流子角動量．
當光從光疏介質射入光密介質時，如圖1所示的光從空氣步入玻璃，光將偏向介質分界面的法線方向，也就是說折射角大于入射角．因為對稱性，左旋或右旋圓偏振光光子關于法線的弱冠動量Jz必須守恒，而當光從空氣步入玻璃介質后，光子載流子角動量沿z方向的份量降低，如圖3所示，為此右旋圓偏振光光子必須向-y方向聯(lián)通以形成一個向下的軌道角動量（圖3(a)），而左旋圓偏振光光子必須向+y方向聯(lián)通以形成一個向上的軌道角動量（圖3(b)），能夠抵消z方向載流子角動量的增量．也就是說，當一束線偏振從光疏介質射入光密介質后，其左旋和右旋圓偏振光份量都將分別獲取一個與其法向載流子角動量方向相反的軌道角動量，以保持法線方向的弱冠動量守恒．正是這兩個方向相反的軌道角動量，造成了左旋和右旋圓偏振份量的縱向分裂．同理可解釋光從光密介質射入光疏介質或光在介質界面反射時的SHEL．這些解釋其實不是十分嚴格，但簡單直觀[11]．
圖3光從光疏介質射入光密介質時，入射光子（藍線）和折射光子（綠線）的弱冠動量J及其在法線方向的份量Jz．(a)和(b)分別是右旋和左旋圓偏振光光子情形，J+和J-分別是它們?yōu)楸３諮z守恒而獲取的額外軌道角動量．
從傅里葉光學的角譜理論看光折射的原因 量子物理，光束可看作是由與其傳輸軸成一定傾角的若干平面波所組成，每位平面波即為一角譜份量．當光束在介質界面改變方向（反射或折射）或在非均勻折射率介質中傳輸時，不同角譜份量的偏振光將經歷不同的旋轉量，而這些旋轉量又與相位相關，因而不同角譜份量互相干涉的結果形成兩束分裂的光束．從物理上講，光的偏振光和相位之間的互相作用好比電子系統(tǒng)中電子SHE的載流子-軌道互相作用．人們習慣于把光看成是波，而且覺得光學效應比起相應的量子熱學效應來更為尋常一些，雖然兩種數(shù)學事實上是等價的．無論是藥量子力學的方式還是用精典的方式去描述SHEL，二者的本質都是一致的：光的載流子-軌道互相作用是引起SHEL中光束重心載流子相關分裂的內在化學緣由．從Berry相位理論看，與電子SHE一樣，SHEL顯示了載流子粒子在外場中演變的深層次幾何動力學關系[5,6]．
雖然SHEL是一種常規(guī)方式很難觀測到的弱效應，但原理上可以使SHEL造成的光束分裂顯得很大，因而分離不同的載流子態(tài)或不同的軌道角動量態(tài)，因而SHEL有望作為操控光子角動量的工具，應用于量子信息領域[7]．據(jù)悉，SHEL本身可以發(fā)展成一種精密的計量工具，拿來諸如表征亞波長尺度上的折射率變化[4]，或為研究納米結構中的數(shù)學特點提供一種靈敏的方法[12]．非常是，因為SHEL與匯聚態(tài)和高能化學中的SHE有高度的相像性和共同的拓撲癥結，所以SHEL的研究將除了對光學，同時還對其他學科形成重要影響[5,6]．比如，對相對論粒子來說，目前的實驗能力尚遠不夠檢測其SHE；而對匯聚態(tài)系統(tǒng)來說，因為雜質散射造成的各類內在效應的競爭以及追蹤電子軌跡的不可能性，所以觀測電子SHE的實驗條件極其復雜．因而，SHEL作為一種雖然很弱但又很純(clean)的化學效應，為檢測SHE這類弱拓撲現(xiàn)象提供了奇特而又便捷的機會．
應《物理》雜志約請，撰寫“光載流子霍爾效應及其研究進展”一文。這里貼出的是“簡介”部分，基本上是學習、理解和總結，沒有原創(chuàng)。文章尚在建立中，歡迎批評見諒！
參考文獻
[1]KatoYK,MyersRC,AC,DD.,2004,306:1910
[2]QiXL,ZhangSC.Today,2010,63:33
[3]OnodaM,S,N.Phys.Rev.Lett.,2004,94:
[4]O,KwiatPG.,2008,319:787
[5]KY,NivA,V,E.,2008,2:748
[6]NoriF.,2008,2:716
[7]ReschKJ.,2008,319,:733
[8]FI.Dokl.Akad.NaukSSSR,1955,105:465
[9]C.Phys.Rev.D,1972,5:4
[10]Y,DZ,L.Phys.Rev.Lett.,1988,60:1351
[11]DayC.Today,2008,61:18
[12]MénardJ-M,AE,DrielHM,etal.Phys.Rev.B,2010,82: