約132年前，日本化學(xué)學(xué)家霍爾（EdwinHall，1855-1938）發(fā)覺，當(dāng)電壓通過磁場(chǎng)中的導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電壓和磁場(chǎng)方向的導(dǎo)體右側(cè)會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差．這一現(xiàn)象后來被稱為霍爾效應(yīng)（Hall），本質(zhì)上，它是運(yùn)動(dòng)的自旋在磁場(chǎng)中遭到洛倫茲力的作用而形成縱向運(yùn)動(dòng)的結(jié)果．精典霍爾效應(yīng)被發(fā)覺以后的一百多年，反常霍爾效應(yīng)、整數(shù)量子霍爾效應(yīng)、分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、自旋霍爾效應(yīng)和軌道霍爾效應(yīng)等又陸續(xù)被發(fā)覺，它們構(gòu)成了一個(gè)霍爾效應(yīng)家族．霍爾效應(yīng)家族因其非常重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值而仍然遭到廣泛關(guān)注，僅從有關(guān)霍爾效應(yīng)的研究成果曾兩度獲得諾貝爾獎(jiǎng)就可見一斑．1985和1998年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)分別授與整數(shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)覺者克利青(Klausvon)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的發(fā)覺者崔琦等人．
近來幾年，一種新型的霍爾效應(yīng)——自旋霍爾效應(yīng)（SpinHall，SHE），導(dǎo)致人們的強(qiáng)烈興趣，自2004年被英國(guó)加洲學(xué)院圣巴巴拉學(xué)校團(tuán)隊(duì)[1]首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到以來，已成為目前匯聚態(tài)化學(xué)中一個(gè)相當(dāng)熱門的研究方向．因?yàn)橄鄬?duì)論效應(yīng)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(chǎng)條件下雖然是在非磁性材料中，也存在類似的霍爾效應(yīng)：載流子向下的電子和載流子向上的電子分別向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而分離開來．與往年跟電荷相關(guān)的霍爾效應(yīng)完全不同，這些霍爾效應(yīng)與電子的載流子密切相關(guān)．因?yàn)殡娮拥妮d流子與電荷一樣，可以拿來存儲(chǔ)和傳遞信息，但是載流子霍爾效應(yīng)中的電壓幾乎沒有能量損失，也就是說不會(huì)發(fā)熱，因此引起了科學(xué)界對(duì)研發(fā)新的電子元元件的構(gòu)想[2]．
如上所述的各類霍爾效應(yīng)都是針對(duì)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(yīng)？2004年，美國(guó)AIST的Onoda等人[3]從理論上明晰提出，光子在介質(zhì)分界面上反射或折射時(shí)同樣存在類似于電子SHE的光載流子霍爾效應(yīng)（SpinHallofLight，SHEL）：在介質(zhì)折射率梯度飾演的外場(chǎng)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(xué)院和Kwiat[4]借助弱檢測(cè)（Weak）方式，首次從實(shí)驗(yàn)上否認(rèn)了這一現(xiàn)象．與電子SHE引起科學(xué)界對(duì)研發(fā)新的電子元元件的構(gòu)想一樣光折射的原因 量子物理，光子作為現(xiàn)今時(shí)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(xué)元件的形成，并可能衍生出一門類似于載流子電子學(xué)()的新學(xué)科——自旋光子學(xué)(Spin-)[5,6]．這里對(duì)SHEL作一簡(jiǎn)單介紹．
電子SHE依賴于兩個(gè)關(guān)鍵誘因：電子的載流子-軌道角動(dòng)量耦合及其造成這些耦合作用的橫向加載的電場(chǎng)．光子既有內(nèi)在的載流子角動(dòng)量（與圓偏振光的手性相關(guān)），也有外在的軌道角動(dòng)量（與螺旋相位有關(guān)）．為此人們自然有理由猜想，光子的載流子-軌道角動(dòng)量耦合應(yīng)當(dāng)也能形成光的SHE．關(guān)鍵問題是：誰來飾演外場(chǎng)的角色以及怎樣形成光子的載流子-軌道角動(dòng)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(chǎng)的方式去改變其載流子軸的方向．但因?yàn)楣庾虞d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?qū)?huì)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(jiǎn)單直接的方法是借助光的反射和折射，其本質(zhì)是改變光在其中傳播的介質(zhì)的折射率．在和Kwiat[4]首次觀測(cè)SHEL的實(shí)驗(yàn)中，正是介質(zhì)分界面上折射率的前饋?zhàn)兓ㄕ凵渎侍荻龋┏洚?dāng)了電子SHE中外加電場(chǎng)的角色，而圓偏振的右旋和左旋份量分別充當(dāng)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(diǎn)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(gè)很小的相對(duì)位移，如圖1所示．在同一年等人[5]報(bào)導(dǎo)的SHEL實(shí)驗(yàn)中，將光掠入射到一根圓錐形玻璃介質(zhì)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(dòng)量并造成載流子-軌道角動(dòng)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(dòng)量耦合．
圖1光束在介質(zhì)折射率梯度（空氣-玻璃界面）飾演的外場(chǎng)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(cè)方式使兩載流子份量相消干涉產(chǎn)生硬度較弱的單個(gè)高斯形硬度分布（藍(lán)線或灰線），因而可以明顯地放大光場(chǎng)重心的橫移（約104倍）．（詳見參考文獻(xiàn)[4,7]）
圖2檢測(cè)光束在圓錐形玻璃棒中傳輸時(shí)的SHEL實(shí)驗(yàn)裝置．Laser：波長(zhǎng)為633nm的He-Ne激光器；P1和P2：格蘭激光偏振光鏡；LCVR：可調(diào)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(xiàn)[5]）
從SHEL表現(xiàn)下來的特點(diǎn)看，它顯然違反了精典幾何光學(xué)，或則說它很難單獨(dú)用精典幾何光學(xué)（如Snell定理和公式）來解釋．牛頓光學(xué)覺得：當(dāng)一束光在介質(zhì)分界面上反射和折射時(shí)，反射光和折射光都處于入射面內(nèi)．但是，這違反了光的角動(dòng)量守恒定理．1955年，[8]在理論上預(yù)言：當(dāng)一束圓偏振發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)，光束重心將形成一個(gè)垂直于入射面的縱向飄移．當(dāng)考慮了這一縱向飄移后，光在反射時(shí)滿足角動(dòng)量守恒定理．1972年，[9]實(shí)驗(yàn)否認(rèn)了這一現(xiàn)象．后來這一現(xiàn)象被稱為-效應(yīng)．雖然，SHEL本質(zhì)上就是-效應(yīng)．
-效應(yīng)關(guān)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(zhuǎn)方向相關(guān)．光波的偏振光是大量光子集合的宏觀概念．精典電動(dòng)熱學(xué)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(dòng)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(chǔ)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(yīng)可以推測(cè)，一束線偏振在全反射時(shí)其左旋和右旋圓偏振光份量將依其旋轉(zhuǎn)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(zhǎng)尺度，所以實(shí)驗(yàn)上通常很難觀察到．和Kwiat[4]里程碑式的實(shí)驗(yàn)工作，其意義除了在于首次從實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了SHEL，還在于實(shí)現(xiàn)了20年前等人[9]的預(yù)言：借助弱檢測(cè)技術(shù)可以放大并檢測(cè)很小的效應(yīng)．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(zhǎng)成反比，而且隨入射角明顯變化：正入射時(shí)SHEL消失，掠入射即入射角接近90°時(shí)分裂最顯著；據(jù)悉，顯而易見的是，SHEL與介質(zhì)的折射率有關(guān)，因此包含了構(gòu)成介質(zhì)分界面的材料信息，這既為借助材料特點(diǎn)操控SHEL，也為借助SHEL研究材料特點(diǎn)及其中的化學(xué)現(xiàn)象提供了可能．
可以從多個(gè)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(guān)系以及光子的弱冠動(dòng)量守恒，可以對(duì)這一現(xiàn)象提供一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的解釋．因?yàn)楣獠ň哂袆?dòng)量，因此當(dāng)剖析光波的電矢量處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，人們必將想到左、右旋圓偏振具有一定的角動(dòng)量．事實(shí)上，依據(jù)量子熱學(xué)，每位光子都攜帶角動(dòng)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(dòng)量，這些固有的化學(xué)現(xiàn)象稱為光子的載流子；載流子角動(dòng)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(dòng)量．因任何一個(gè)微觀粒子具有的角動(dòng)量是它的載流子角動(dòng)量與軌道角動(dòng)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(dòng)量，則此時(shí)的軌道角動(dòng)量為零，也即光子在傳播方向上總的角動(dòng)量就是其自身的載流子角動(dòng)量．
當(dāng)光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，如圖1所示的光從空氣步入玻璃，光將偏向介質(zhì)分界面的法線方向，也就是說折射角大于入射角．因?yàn)閷?duì)稱性，左旋或右旋圓偏振光光子關(guān)于法線的弱冠動(dòng)量Jz必須守恒，而當(dāng)光從空氣步入玻璃介質(zhì)后，光子載流子角動(dòng)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(gè)向下的軌道角動(dòng)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(gè)向上的軌道角動(dòng)量（圖3(b)），能夠抵消z方向載流子角動(dòng)量的增量．也就是說，當(dāng)一束線偏振從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)后，其左旋和右旋圓偏振光份量都將分別獲取一個(gè)與其法向載流子角動(dòng)量方向相反的軌道角動(dòng)量，以保持法線方向的弱冠動(dòng)量守恒．正是這兩個(gè)方向相反的軌道角動(dòng)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(zhì)射入光疏介質(zhì)或光在介質(zhì)界面反射時(shí)的SHEL．這些解釋其實(shí)不是十分嚴(yán)格，但簡(jiǎn)單直觀[11]．
圖3光從光疏介質(zhì)射入光密介質(zhì)時(shí)，入射光子（藍(lán)線）和折射光子（綠線）的弱冠動(dòng)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(dòng)量．
從傅里葉光學(xué)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(dāng)光束在介質(zhì)界面改變方向（反射或折射）或在非均勻折射率介質(zhì)中傳輸時(shí)，不同角譜份量的偏振光將經(jīng)歷不同的旋轉(zhuǎn)量，而這些旋轉(zhuǎn)量又與相位相關(guān)，因而不同角譜份量互相干涉的結(jié)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(xí)慣于把光看成是波，而且覺得光學(xué)效應(yīng)比起相應(yīng)的量子熱學(xué)效應(yīng)來更為尋常一些，雖然兩種數(shù)學(xué)事實(shí)上是等價(jià)的．無論是藥量子力學(xué)的方式還是用精典的方式去描述SHEL，二者的本質(zhì)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(guān)分裂的內(nèi)在化學(xué)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(chǎng)中演變的深層次幾何動(dòng)力學(xué)關(guān)系[5,6]．
雖然SHEL是一種常規(guī)方式很難觀測(cè)到的弱效應(yīng)，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(dòng)量態(tài)，因而SHEL有望作為操控光子角動(dòng)量的工具，應(yīng)用于量子信息領(lǐng)域[7]．據(jù)悉，SHEL本身可以發(fā)展成一種精密的計(jì)量工具，拿來諸如表征亞波長(zhǎng)尺度上的折射率變化[4]，或?yàn)檠芯考{米結(jié)構(gòu)中的數(shù)學(xué)特點(diǎn)提供一種靈敏的方法[12]．非常是，因?yàn)镾HEL與匯聚態(tài)和高能化學(xué)中的SHE有高度的相像性和共同的拓?fù)浒Y結(jié)，所以SHEL的研究將除了對(duì)光學(xué)，同時(shí)還對(duì)其他學(xué)科形成重要影響[5,6]．比如，對(duì)相對(duì)論粒子來說，目前的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ι羞h(yuǎn)不夠檢測(cè)其SHE；而對(duì)匯聚態(tài)系統(tǒng)來說，因?yàn)殡s質(zhì)散射造成的各類內(nèi)在效應(yīng)的競(jìng)爭(zhēng)以及追蹤電子軌跡的不可能性，所以觀測(cè)電子SHE的實(shí)驗(yàn)條件極其復(fù)雜．因而，SHEL作為一種雖然很弱但又很純(clean)的化學(xué)效應(yīng)，為檢測(cè)SHE這類弱拓?fù)洮F(xiàn)象提供了奇特而又便捷的機(jī)會(huì)．
應(yīng)《物理》雜志約請(qǐng)，撰寫“光載流子霍爾效應(yīng)及其研究進(jìn)展”一文。這里貼出的是“簡(jiǎn)介”部分，基本上是學(xué)習(xí)、理解和總結(jié)，沒有原創(chuàng)。文章尚在建立中，歡迎批評(píng)見諒！
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