当不同的波矢组成的平面波的波包进入一个折射率在变化的空间时，不同波矢组成的平面波经历不同的几何相位，从而影响空间剖面而在横向上发生分离的现象即为光子的自旋霍尔效应（Spin Hell Effect of Light, SHEL）。其中，在横向上的分离的距离就是Imbert-Fedorov (IF) 位移。因此，评判光子自旋霍尔效应强弱的另一种描述就是在横向上左旋光子和右旋光子分离的距离IF位移的大小。同时，IF位移也是评判光子进入结构之后自旋-轨道角动量相互作用的强弱的依据，所以一个可直接观测的超大IF位移对于将光子自旋霍尔效应应用到生物分子结构的检测以及左手材料的检测是一项很重要的应用前景。

图1 双折射晶体金属覆盖波导结构以及理论模拟计算结果

然而，由于自旋-轨道相互作用的强度很弱，导致产生的IF基本都是在亚波长量级，因此很难在实验上直接观测到左旋光和右旋光的横向分离。近些年，为了测量到IF位移，科学家们通过“Quantum Weak Measurement”技术对比预选（Preselection）态和后选（Postelection）态测量，放大了半波长位移到光斑宽度大小。利用该技术观测IF位移的实验有空气-介质表面结构实验，光子隧道，超表面和通过薄膜的泄露导模等实验手段进行观测。然而，这种非直接测量的技术受到了光的量子噪声的极大限制，并且亚波长量级的IF位移的研究对于应用实际的价值是困难的。因此，后来的研究中，在表面等离子共振和长程表面等离子共振被用于增强IF位移的工作，尤其在布儒斯特角位置处使得光子的IF位移的大小增加了50倍左右，使用弱测量的方法，测量的IF位移3.2微米。因此，实现放大IF位移的大小，使得IF可以通过直接测量肉眼可见是现在研究领域一直追求的目标，也是利用光子自旋霍尔效应进入实际应用的关键一步。

图2. 实现自旋霍尔效应的实验装置以及实验结果

本工作针对上述科学问题，利用双折射晶体金属覆盖波导在小角度激发超高阶导模（Ultrahigh Order Modes， UOMs）理论分析IF位移的决定性因子，以及实现放大IF位移的机制。并通过实验验证了该理论实现超强的“自旋-轨道”相互作用的机制，实现了可视化IF位移，最终实现0.16mm大小的IF位移。

该成果于2020年02月04日以题为 “Direct Visualizing the Spin Hall Effect of Light via Ultrahigh-Order Modes”发表在Physical Review letters。

文章链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.124.053902

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.053902