光的自旋-轨道相互作用

光的自旋-轨道相互作用是指光的自旋角动量和轨道角动量之间的相互作用,它存在于反射、折射、散射、衍射、聚焦等基本的光学过程中。在传统大尺度量级的经典光学中可以忽略自旋-轨道相互作用的影响,但在亚波长尺度下,自旋和轨道角动量之间会发生强耦合。对光的自旋-轨道相互作用的基本起源和重要应用进行了综述。首先,介绍了光的自旋-轨道相互作用的两个重要基本概念:光子角动量和几何相位理论。其次,分别介绍了自旋-内禀轨道角动量和自旋-外禀轨道角动量两种相互作用的基本原理。然后,重点介绍了光自旋-轨道相互作用的研究进展以及代表性应用。最后,对光自旋-轨道相互作用相关研究面临的挑战和未来的研究方向进行了展望。

光束正入射至界面时的自旋-轨道相互作用及其增强

光束正入射至均匀突变界面时的自旋-轨道相互作用表现为拓扑荷数为±2的、自旋可控的涡旋相位.然而,该涡旋相位的物理来源以及界面的性质在自旋-轨道相互作用过程中起到何种作用,这些问题还有待解决.首先建立一个简洁的菲涅耳琼斯矩阵来描述这种自旋-轨道相互作用,并揭示其中的涡旋相位其实是一种贝里(Berry)几何相位,它来源于光束本身的拓扑结构,而界面的性质影响自旋-轨道相互作用的转换效率.一般情况下,转换效率极低,限制了其应用.因此,基于上述理论,提出采用光轴平行于界面法线方向的单轴薄层材料,来极大地增强这种自旋-轨道相互作用.

光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用

探讨了光在Metasurface中的自旋-轨道相互作用,理论分析了Metasurface对圆偏振和线偏振光的转换.结果表明:光与具有空间非均匀性和各向异性性的Metasurface的相互作用导致了自旋-轨道角动量的耦合.采用Metasurface与螺旋相位片组合在一起进行了验证实验,所得实验结果与理论分析完全一致.这些结论有助于我们更加深入理解Metasurface对光的操控.

非线性相互作用引起的双模Dicke模型的新奇量子相变

量子相变是量子光学和凝聚态物理领域的一个重要课题.本文在标准双模Dicke模型的基础上引入原子-光的非线性相互作用,研究其所引起的量子相变.利用自旋相干态变分法从理论上给出有两个参量的基态能量泛函.两模光场采用四种不同的比例关系进行研究,并且在实验参数下,通过可调的原子-光的非线性相互作用参量,给出了宏观多粒子量子态的丰富结构.本文主要呈现了在蓝失谐和红失谐下,双稳的正常相、共存的正常-超辐射相和原子数反转态等丰富的基态特性.原子-光的非线性相互作用在蓝失谐可以引起标准的双模Dicke模型的正常相到超辐射相的二级量子相变.在红失谐时引起新奇的基态特性,新奇的量子相变,即反转的超辐射相到反转的正常相的二级逆量子相变.原子-光的非线性相互作用和两模光场比例不同时,对量子相变的相边界和基态物理量的值有较大影响.

氦原子自旋-其它轨道相互作用精细结构参数的理论计算(英文)

以多电子原子精细结构哈密顿的球张量形式和氦原子非相对论性能级结构理论为基础,借助不可约张量理论,建立了计算氦原子自旋-其它轨道相互作用精细结构参数的一种解析理论形式.完成了所有的角向积分和自旋求和计算,自旋-其它轨道相互作用精细结构参数最终用若干个径向积分来表示.以氦原子(1s2p)3P态为例,借用类氢形式的径向函数对这些径向积分进行了近似计算.计算结果表明:在氦原子的精细结构中,自旋-其它轨道相互作用与纯自旋-轨道相互作用的作用效果相反;在总自旋-轨道相互作用精细结构参数中,自旋-其它轨道相互作用起决定性作用,它决定着精细结构分裂的顺序.

类锂离子里德堡态中的自旋-其它轨道相互作用

以多电子原子精细结构哈密顿的球张量形式和三价原子的非相对论性能级结构理论为基础,借助不可约张量理论,建立了计算类锂离子里德堡态中的自旋其它轨道相互作用能的一种解析理论形式。完成了所有的角向积分和自旋求和计算,自旋其它轨道相互作用能最终用径向积分来表示。应用所建立的理论对类锂离子(1s2np)2Pj态的自旋其它轨道相互作用能进行了具体分析。

氦原子sp组态的自旋-轨道相互作用精细结构参数

本文借助不可约张量理论,导出了通常由光谱实验数据确定的氦原子sp组态自旋-轨道相互作用精细结构参数A的理论计算式,在推导过程中完成所有角向积分和自旋求和计算.

Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响

分析了Rashba自旋-轨道相互作用对一维谐振子势场中电子性质的影响,发现该自旋-轨道相互作用能够导致能级之间的自旋翻转,并且自旋翻转的性质明显依赖于自旋-轨道耦合系数和参考系坐标之间的关系.

氦原子2^3P态自旋-其他轨道相互作用的理论计算

借助不可约张量理论,导出了氦原子23P态自旋-其他轨道相互作用能的理论计算式,在推导过程中完成了所有角向积分和自旋求和计算.

聚焦场自旋-轨道角动量相互作用的研究进展

光同时具有自旋和轨道角动量属性,它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下,光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下,如紧聚焦或者散射光场中,光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中,紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域,近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法,自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。

石墨烯中选择性增强Kane-Mele型自旋-轨道相互作用

增强石墨烯中的自旋-轨道相互作用可能实现无耗散的量子自旋霍尔器件,这需要在石墨烯样品中引入独特的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,并保持较高的迁移率.然而,对石墨烯的外在修饰往往会引入“外禀型”Rashba自旋-轨道相互作用,会破坏可能存在的拓扑态,并带来一定程度的杂质散射,降低样品迁移率.在石墨烯表面修饰EDTA-Dy分子后,载流子迁移率得到了提高,并且可以看到显著的量子霍尔电导平台.其弱局域化效应相比被修饰之前得到了抑制,这意味石墨烯中可能引入了内禀的Kane-Mele型自旋-轨道相互作用,增强了Elliot-Yafet型电子自旋弛豫机制.进一步通过矢量磁体磁阻测量,发现该分子覆盖在石墨烯上后造成了石墨烯微弱的涟漪,这种涟漪引起的弯曲声子效应模拟了Kane-Mele型自旋-轨道相互作用.

含自旋—轨道相互作用的碱金属原子的精确量子论

根据新量子变换理论 ,结合创新的SU(1,1)Lie代数理论及SO(3)Lie代数理论 ,对含自旋—轨道相互作用的碱金属原子的量子力学问题进行系统的研究。结果表明 ,碱金属原子的能级为双能级结构 。

有Rashba自旋—轨道相互作用的一维介观环哈密顿量的离散化

有Rashba自旋—轨道相互作用的一维环上,将运动电子的哈密顿量离散化。在正常区域,用没有争议的定义来计算持续的自旋流,将计算持续自旋流的公式也进行离散化。用离散化的近似方法也可以计算介观环中的持续自旋流。

暗中空光束角动量与中性原子的相互作用及其应用

综述了暗中空光束自旋与轨道角动量的一些性质及其与中性原子之间的相互作用 ,并简单介绍了暗中空光束及其角动量在原子光学和玻色_爱因斯坦凝聚 (BEC)

光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的非线性能谱特性

通过两模近似和变分法,研究了光晶格中自旋轨道耦合玻色-爱因斯坦凝聚体的非线性能谱结构和流密度.研究发现,当系统参数满足一定条件时,能谱结构在布里渊区的边界处会出现loop结构,其中光晶格和拉曼耦合会抑制loop结构的出现,而自旋轨道耦合和原子间相互作用会促进loop结构的产生,并使能带结构变得更加复杂.此外,能带结构的变化与凝聚体的流密度密切相关,自旋轨道耦合会使不同自旋态的流密度在动量空间的分布呈现强烈的不对称性并发生分离,而光晶格和拉曼耦合会减弱这种不对称性,使不同自旋态的流密度重合.loop结构破坏了系统的Bloch振荡,使系统发生Landau-Zener隧穿,而不同自旋态流密度在动量空间分布的分离意味着自旋交换动力学的发生.

钡铁氧体中自旋-轨道耦合对磁光偏转的影响

计算了 Ni^(2+)离子取代后的钡铁氧体(BaFe_(12)O_(19))的 Faraday 偏转角,结果表明:对 Faraday 偏转角起主要作用的是 Ni^(2+)的基组态中的自旋-轨道耦合,而激发组态中的自旋-轨道耦合作用的影响极小,可以忽略.

绿宝石晶体自旋二重态对基态能级的影响及Jahn-Teller效应

应用不可约张量方法和群的理论构造了三角对称晶场中考虑自旋-轨道相互作用,自旋-自旋相互作用和自旋-其它轨道相互作用的3d3/3d7态离子的可完全对角化的120阶微扰哈密顿矩阵.利用该矩阵计算了绿宝石晶体的基态能级、零场分裂参量,研究了自旋二重态对基态能级的贡献.理论计算值与实验值相符合,证明二重态对基态的贡献是不可忽略的·在此基础上,进一步研究了自旋-自旋相互作用、自旋-其它轨道相互作用和自旋-轨道相互作用对绿宝石晶体的光谱精细结构和零场分裂参量的影响,发现自旋-自旋和自旋-其它轨道相互作用对绿宝石晶体基态能级和零场分裂参量的影响都是不可忽略的·从而通过理论计算值和实验值的比较,证实了在绿宝石晶体中Jahn-Teller效应的存在,它能够对光谱精细结构的分裂提出一些更加合理的解释·

Rashba自旋-轨道相互作用影响下量子盘中强耦合磁极化子性质的研究

本文基于Lee-Low-Pines幺正变换法,采用Tokuda改进的线性组合算符法研究了Rashba自旋-轨道相互作用效应下量子盘中强耦合磁极化子的性质.结果表明,磁极化子的相互作用能Eint的取值随量子盘横向受限强度ω0、外磁场的回旋频率ωc、电子-LO声子耦合强度α和量子盘厚度L的变化均与磁极化子的状态性质密切相关;磁极化子的平均声子数N随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在Rashba自旋-轨道相互作用效应影响下磁极化子的有效质量将劈裂为m*+,m*-两种,它们随ωc,ω0和α的增加而增大,随L的增加而振荡减小;在研究量子盘中磁极化子问题时,电子-LO声子耦合和Rashba自旋-轨道相互作用效应的影响不可忽略,但Rashba自旋-轨道相互作用和极化子效应对磁极化子的影响只有在电子运动的速率较慢时显著.

InAs量子点中自旋-轨道相互作用下电子自旋弛豫的参量特征

本文在处理InAs单电子量子点哈密顿模型时,将自旋-轨道(SO)相互作用作为微扰项,计算在Fock-Darwin本征函数下SO相互作用的矩阵元,利用其对能级和波函数的二阶修正,并且考虑新的能级对g因子和有效质量m*的影响,计算得到在声子协助下电子的自旋弛豫率Γ的表达式.给出了InAs量子点中声子协助的电子自旋弛豫率Γ对于限制势频率ω0、温度T、纵向高度z0及磁场B等参量有不同的依赖关系,其中温度对于电子的自旋弛豫起着主导作用,横向限制势频率次之,磁场和纵向高度的作用再次之.1)在InAs量子点中,ω0的增加对应着有效横向尺寸d的变小,对Γ的值有明显的抑制作用;2)随着T的提高ω0对于电子自旋反转的抑制作用逐渐减弱,T对Γ的影响明显,从1K增加到7K时自旋反转弛豫迅速增加,Γ从103s-1增加到108s-1量级;3)Γ随高度z0的增加而变小,在T=1K时Γ总的量级为100—103s-1,而随着T的增加(T=6K)它将逐渐超过z0的增加对弛豫率Γ的影响;4)Γ随磁场B变化曲线在不同的ω0时均形成一个峰值,而峰值几乎出现在同一B值,这归因于InAs有相当大的g因子使得随磁场增加时塞曼项H^Z对能级产生影响将超过H^SO.

Ce∶YIG磁光薄膜法拉第旋转谱的理论计算

考虑到Ce3 + 的 5d ,4f以及Fe3 + 的 3d电子轨道形成具有较大自旋 轨道相互作用的耦合轨道 (Ce4f+Ce5d+Fe3d) ,将Ce3 + 离子的含量与耦合轨道联系起来 ,并给出了Ce3 + 离子的含量与跃迁中心数之间的定量关系式 .在ω =0 .8～ 3.2eV的范围内 ,计算了x =0 .3和x =0 .7时Y3 -xCexFe5O12 的法拉第旋转谱 .结果表明 ,Ce∶YIG的法拉第旋转角的增加主要是由于Ce3 + 的掺入形成耦合轨道 ,使其自旋