摘要：《光学学报》特邀综述来自深圳大学袁小聪教授团队，文章综述了自旋角动量的调控机理，详细介绍了自旋角动量的概念、定义、分类与物理起源，梳理了近年来自旋角动量的检测手段及其在弱效应探测、光学微分、光学横向力、精密传感以及磁畴检测方面的应用。
封面解析：封面展示了由光学自旋角动量矢量构成的拓扑斯格明子自旋结构，涉及光学自旋角动量的调控、检测和应用：通过自旋-动量绑定关系可实现对自旋矢量的调控；利用近场光学多参量检测系统可实现对三维自旋矢量的高精密检测和验证；在深亚波长尺度下该拓扑自旋结构与物质相互作用可产生诸多新颖的物理现象，从而被应用于对手性物质的分选与囚禁、磁畴检测和精密位移传感等。
链接：苟新鑫, 李松泽, 石鹏, 袁小聪. 光学自旋角动量的调控机理及研究进展（特邀）[J]. 光学学报, 2024, 44(10): 1026002.
导读：
自旋角动量作为光的粒子性的体现，对其物理特性的研究自其诞生起一直延续至今，随着近些年现代光学微纳加工技术的发展，研究人员得以进一步发掘并利用这一物理量，并将其应用于许多新的场景，同时，光学自旋角动量的检测技术也获得了极大的发展。
深圳大学袁小聪教授团队特邀综述汇总了当前自旋角动量的研究进展，详细介绍了自旋角动量的概念、定义、分类与物理起源，梳理了近年来自旋角动量的检测手段及其在弱效应探测、光学微分、光学横向力、精密传感以及磁畴检测方面的应用。该文发表于《光学学报》旗舰专题——“光场调控、传输及其应用”专题III（第44卷第10期），并被选为封底文章。
研究背景
自旋角动量是基本粒子和场的一个基本动力学物理量，其在光与物质相互作用中扮演着极其重要的角色。在光学研究中，自旋角动量与圆极化密切相关。研究人员通过研究光学自旋与物质或结构的相互作用，发现了许多新颖有趣的光学现象，并开发了新的光学应用，进而衍生出了自旋光学这一新兴研究领域。
自旋光学的发展和完善在多个领域中发挥了巨大的作用，包括光学成像、光学探测、光通信和量子技术。自旋光学的理论概念和框架不仅限于光学领域，还可以扩展到其他经典波场，如流体波、声波和引力波等。这种扩展为基于经典场自旋和动量的理论开发，以及探索光学自旋与物质相互作用的新机理、新现象和新应用提供了新的手段。
2、光学自旋角动量的调控机理
近年来，光学自旋角动量相关的调控技术获得了飞速发展，因此一系列新颖的光学自旋轨道耦合现象也逐步进入了科研人员的视野，如自旋霍尔效应、光学马格努斯效应、自旋轨道角动量转换、自旋-动量绑定和自旋单向性激发等，这些现象具有广阔的应用前景。同时，，越来越多的研究聚焦于光学自旋角动量的结构性质，包括纵向自旋和横向自旋：纵向自旋与光学螺旋相关，其对应量子力学中的光子螺旋态；针对横向自旋的研究起步较晚，其物理起源、螺旋相关性与拓扑性质等研究还在持续开展中。
本论文综述了光学横向自旋的发现、起源、性质及其研究进展，发现其源于光场结构性质所导致的坡印亭动量的横向不均匀性，具有螺旋无关的性质和自旋-动量绑定的性质，且自旋矢量会在与坡印亭动量（或能流）垂直的截面上从自旋向上的态变换到自旋向下的态，从而构成拓扑自旋结构，如图1(b)所示，其中S为自旋角动量密度，P表示能流密度进一步研究发现，对于螺旋无关的声子场，如水波、声波等，其自旋也满足自旋-动量绑定关系，这是因为所有自旋分量都是源于其能流的不均匀性，故其自旋矢量皆可被看作横向自旋。最近，本课题组基于自旋-动量绑定关系提出了一套新型的类麦克斯韦自旋动量方程组，借助该方程组可以绕过电磁场的计算，利用光子波函数就可以便捷地研究光学自旋轨道耦合和几何相位的演化性质。
图1结构倏逝场的自旋-动量绑定性质。（a）由波矢量确定自旋角动量密度的方向；（b）由能流密度的旋度确定自旋角动量密度的方向
3、自旋角动量的检测手段
自旋角动量作为光场的内禀属性，广泛存在于傍轴光束、紧聚焦场、干涉场和倏逝场等众多光学体系中。迄今为止，研究人员基于扫描近场光学显微镜、纳米颗粒-膜结构、光发射电子显微镜和非线性效应等方案实现了光学自旋角动量的高精度检测技术，如图2所示。这些技术的发展不仅极大地促进了近场光学相关的光学检测技术的发展，也为自旋光学的进一步发展、新型光学自旋拓扑结构的表征和基于光学自旋的新型应用的开发打下了坚实的基础。
图2纳米颗粒-膜结构与近场扫描探针显微镜用于自旋角动量检测。(a)纳米金颗粒-金膜结构的两种不同激发方式;(b) 利用近场扫描光学显微探测系统检测近场自旋角动量分布的实验光路；(c)用于探测磁场分量的银核-硅壳探针颗粒及其电磁响应曲线；(d)紧聚焦光束和纳米颗粒-波导结构耦合过程示意图；
4、自旋角动量应用研究
随着人们对光学自旋角动量认识的深入，越来越多基于光学自旋的应用被开发出来。一方面，光学自旋角动量可为光场带来丰富可调的手性特征，而构成生命基本要素的核酸、蛋白质等都具有显著的手性特性。光的这种手性特性为人们探索和认知生命运行机理提供了重要手段。尤其，在微纳尺度、近场条件下研究手性光场与手性颗粒、手性分子的相互作用将有助于人们在更小尺度去解析生物分子的手性特性，更深层次地理解生命运行的规律。另一方面，光学自旋角动量与其他自由度（如光子动量和轨道角动量）的相互耦合、相互作用一般发生在深亚波长尺度上，在数纳米范围内光场自旋态可发生急剧变化，而构成物质基本要素的分子、原子同样在纳米、亚纳米尺度。因此，在纳米、亚纳米尺度下研究光学自旋与原子、分子的相互作用将有助于人们在更小尺度操控原子和分子，更深层次地了解光与物质相互作用的基本规律。迄今为止，通过研究光学自旋角动量与物质相互作用诞生了一系列的新型应用，包括基于光自旋霍尔效应的图像边缘检测技术、横向光力手性分选、精密位移传感（如图3(a)所示）、磁畴探测（如图3(b)所示）等。
图3自旋角动量的应用。(a)自旋角动量用于精密传感；（b）自旋角动量用于磁畴检测。
5、总结与展望
作为光学领域内继强度、相位、偏振之后的又一可提供自由度的参量，自旋角动量所携带的光的近场信息在通信、成像、精密探测等领域均良好的应用前景。本文介绍了自旋角动量的概念、定义、分类与物理起源，梳理了近年来自旋角动量的检测手段及其在弱效应探测、光学微分、光学横向力、精密传感以及磁畴检测方面的应用。一方面，自旋角动量作为一种新型光学自由度，可为大尺度的光场调控和光学通信等应用提供新的方案。另一方面，自旋角动量是光子、原子等基本粒子的基本动力学物理量，为小尺度的光与物质相互作用、光学成像、光学检测等研究提供了新的视角，同时为进一步挖掘光与物质相互作用的新机制和新现象，以及拓展自旋光子学的应用，发挥了巨大的作用。
作者简介
石鹏，深圳大学微纳光电子学研究院副教授。长期从事矢量光束、微纳光学器件与自旋光子学等相关领域的研究。迄今为止，在Physical Review Letters、PNAS等期刊发表论文50余篇，引用1000余次，并获批多项国家自然科学基金项目。
袁小聪，欧洲科学院院士（MAE），深圳大学讲席教授，CJ学者特聘教授，国务院学科评议组成员，中国光学学会会士，美国光学学会会士，国际光学工程学会会士，英国物理学会会士。主要从事光场调控基础研究、光学表面波传感与光声病理诊断研究，以及光场调控与光互连应用研究，并作出了多项开创性贡献。在Science、Nature子刊、Physical Review Letters与PNAS等期刊上发表论文600余篇。获授权发明专利30余项，荣获中国专利优秀奖、教育部高等学校自然科学奖二等奖与深圳市自然科学奖二等奖等奖项，并连续多年入选“中国高被引学者”榜单和“全球前2%顶尖科学家”榜单。现任国际光学顶刊Advanced Photonics主编。
