日前，清華學院化學學系光子晶體課題組基于連續譜中禁錮態（BIC）在動量空間具有的拓撲渦旋構象，深入挖掘光子晶體動量空間的偏振光自由度，實現了光的載流子霍爾效應。相關研究成果以“SpinHallofLightvia-SpaceBoundinthe”為題，在線發表在上，并被選為了’。
光的載流子軌道耦合是許多新奇光學效應的數學基礎，其廣泛存在于各種光學過程的。光的載流子霍爾效應就是一種具有代表性的載流子軌道耦合的效應。光的載流子霍爾效應通常彰顯為光束在界面反射、折射等光學過程中不同載流子份量的分離，例如載流子依賴的縱向光束位移（載流子霍爾位移）。自旋霍爾位移也可以從動量空間的載流子依賴的相位梯度來理解，在之前大部份的工作中，所討論的載流子依賴的相位梯度都是垂直于光束的入射面的，因此所實現的載流子霍爾位移也大多是垂直于光束入射面的縱向位移，對載流子霍爾位移實現更多自由度的調控有待進一步深化。
研究團隊基于BIC在動量空間提供的偏振光自由度，提出了可以借助圍繞BIC的拓撲偏振光渦旋來實現光的載流子霍爾效應。光子晶體平板中光學模式的非局域特點以及在動量空間中圍繞BIC的拓撲渦旋構象可為入射到光子晶體平板的光束同時引入動量空間的幾何相位梯度和交叉極化的共振相位梯度，從而可以實現更多自由度的光載流子霍爾位移。研究團隊分別從模擬上和實驗上實現了基于圍繞BIC的拓撲渦旋的光載流子霍爾效應霍爾效應，實現的載流子霍爾位移將位移方向拓展到了四個象限霍爾效應，還進一步在不同波長下實現了位移大小變化的載流子霍爾位移。
光的載流子-渦旋轉換和光的載流子霍爾效應是光載流子軌道耦合的兩種具有代表性的現象。研究團隊專注于對動量空間偏振光場的探求，在之前的工作實現了基于BIC拓撲渦旋的渦旋光生成[Nat.14,623–628(2020)]，本工作則是借助BIC拓撲渦旋實現了光的載流子霍爾效應。圍繞BIC的拓撲渦旋為光場調控引入了動量空間偏振光自由度，也為光的載流子軌道耦合提供了更豐富的調控手段。
論文的第一單位為清華學院，我系博士研究生王佳俊為論文第一作者，資劍院士和石磊院長為論文共同通信作者。本工作得到了科技部重點研制項目，國家自然科學基金，北京市教委項目等基金的支持。
圖1：通過圍繞BIC的拓撲渦旋實現的光載流子霍爾效應示意圖以及檢測的實驗結果