约132年前，日本化学学家霍尔（EdwinHall，1855-1938）发觉，当电压通过磁场中的导体时，在垂直于电压和磁场方向的导体右侧会出现电势差．这一现象后来被称为霍尔效应（Hall），本质上，它是运动的自旋在磁场中遭到洛伦兹力的作用而形成纵向运动的结果．精典霍尔效应被发觉以后的一百多年，反常霍尔效应、整数量子霍尔效应、分数量子霍尔效应、自旋霍尔效应和轨道霍尔效应等又陆续被发觉，它们构成了一个霍尔效应家族．霍尔效应家族因其非常重要的科学意义和应用价值而仍然遭到广泛关注，仅从有关霍尔效应的研究成果曾两度获得诺贝尔奖就可见一斑．1985和1998年诺贝尔化学学奖分别授与整数量子霍尔效应的发觉者克利青(Klausvon)和分数量子霍尔效应的发觉者崔琦等人．
近来几年，一种新型的霍尔效应——自旋霍尔效应（SpinHall，SHE），导致人们的强烈兴趣，自2004年被英国加洲学院圣巴巴拉学校团队[1]首次在实验上观测到以来，已成为目前汇聚态化学中一个相当热门的研究方向．因为相对论效应载流子-轨道耦合作用的存在，人们发觉在这样的体系中，在没有外加磁场条件下虽然是在非磁性材料中，也存在类似的霍尔效应：载流子向下的电子和载流子向上的电子分别向两侧运动进而分离开来．与往年跟电荷相关的霍尔效应完全不同，这些霍尔效应与电子的载流子密切相关．因为电子的载流子与电荷一样，可以拿来存储和传递信息，但是载流子霍尔效应中的电压几乎没有能量损失，也就是说不会发热，因此引起了科学界对研发新的电子元元件的构想[2]．
如上所述的各类霍尔效应都是针对电子等带电粒子的．不仅电子以外，其它粒子非常是中性粒子是否也有类似的霍尔效应？2004年，美国AIST的Onoda等人[3]从理论上明晰提出，光子在介质分界面上反射或折射时同样存在类似于电子SHE的光载流子霍尔效应（SpinHallofLight，SHEL）：在介质折射率梯度饰演的外场作用下，光束或波包沿垂直于折射率梯度方向发生载流子分裂．2008年，加拿大学院和Kwiat[4]借助弱检测（Weak）方式，首次从实验上否认了这一现象．与电子SHE引起科学界对研发新的电子元元件的构想一样光折射的原因 量子物理，光子作为现今时代信息和能量的重要载体，人们完全有理由期盼SHEL的研究将造成新型光子学元件的形成，并可能衍生出一门类似于载流子电子学()的新学科——自旋光子学(Spin-)[5,6]．这里对SHEL作一简单介绍．
电子SHE依赖于两个关键诱因：电子的载流子-轨道角动量耦合及其造成这些耦合作用的横向加载的电场．光子既有内在的载流子角动量（与圆偏振光的手性相关），也有外在的轨道角动量（与螺旋相位有关）．为此人们自然有理由猜想，光子的载流子-轨道角动量耦合应当也能形成光的SHE．关键问题是：谁来饰演外场的角色以及怎样形成光子的载流子-轨道角动量耦合作用？
光子有载流子但却因其为中性粒子而无磁矩,因而难以用外加场的方式去改变其载流子轴的方向．但因为光子载流子轴的方向与传播方向一致，因此使我们想到若改变光的传播方向将会改变光的载流子态，即载流子矢量在空间的指向；而改变光的传播方向最简单直接的方法是借助光的反射和折射，其本质是改变光在其中传播的介质的折射率．在和Kwiat[4]首次观测SHEL的实验中，正是介质分界面上折射率的前馈变化（折射率梯度）充当了电子SHE中外加电场的角色，而圆偏振的右旋和左旋份量分别充当了上旋和下旋电子的角色．因而，相较于电子SHE，SHEL表现下来的特点是圆偏振的右旋和左旋份量最后在垂直于入射面的纵向形成一个很小的相对位移，如图1所示．在同一年等人[5]报导的SHEL实验中，将光掠入射到一根圆锥形玻璃介质中，圆锥形的介面使光在其中沿螺旋形轨迹传播，因而不断改变光子的载流子角动量并造成载流子-轨道角动量耦合，从而形成了类似的光束分裂，如图2所示．由此我们还可以想像，若把一根光纤绕成螺旋状，光在其中传播将很容易形成载流子-轨道角动量耦合．
图1光束在介质折射率梯度（空气-玻璃界面）饰演的外场作用下，沿垂直于折射率梯度方向发生载流子分裂．右上：入射光束为线偏振光高斯形的硬度分布．右下：折射光束硬度出现载流子分裂（白线）．借助弱检测方式使两载流子份量相消干涉产生硬度较弱的单个高斯形硬度分布（蓝线或灰线），因而可以明显地放大光场重心的横移（约104倍）．（详见参考文献[4,7]）
图2检测光束在圆锥形玻璃棒中传输时的SHEL实验装置．Laser：波长为633nm的He-Ne激光器；P1和P2：格兰激光偏振光镜；LCVR：可调谐液晶波片；Prism：直角棱镜；：圆锥形玻璃棒；QWP：1/4波片；lens：成像透镜；：图象传感．（详见参考文献[5]）
从SHEL表现下来的特点看，它显然违反了精典几何光学，或则说它很难单独用精典几何光学（如Snell定理和公式）来解释．牛顿光学觉得：当一束光在介质分界面上反射和折射时，反射光和折射光都处于入射面内．但是，这违反了光的角动量守恒定理．1955年，[8]在理论上预言：当一束圆偏振发生全内反射时，光束重心将形成一个垂直于入射面的纵向飘移．当考虑了这一纵向飘移后，光在反射时满足角动量守恒定理．1972年，[9]实验否认了这一现象．后来这一现象被称为-效应．虽然，SHEL本质上就是-效应．
-效应关注的是单一圆偏振的光束重心的纵向甩尾现象，甩尾方向与圆偏振光的旋转方向相关．光波的偏振光是大量光子集合的宏观概念．精典电动热学告诉我们：不同的偏振光态描述了光波的电矢量的各类不同的震动方向和方法；线偏振光、椭圆偏振光、部份偏振光等光束都可以由作为基础的左、右旋圆偏振束组合而成．也就是说，一束线偏振可以分解为两束同频度的左旋和右旋圆偏振．因而，基于-效应可以推测，一束线偏振在全反射时其左旋和右旋圆偏振光份量将依其旋转方向而沿纵向向不同方向分裂，弄成两束光，这些现象正是所谓的SHEL．
SHEL造成的光束纵向分裂值很小，一般在亚波长尺度，所以实验上通常很难观察到．和Kwiat[4]里程碑式的实验工作，其意义除了在于首次从实验上观测到了SHEL，还在于实现了20年前等人[9]的预言：借助弱检测技术可以放大并检测很小的效应．理论上，SHEL造成的光束纵向分裂的定量公式至今仍有好多分歧．但业已清楚的是，SHEL造成的光束纵向分裂值与入射光的波长成反比，而且随入射角明显变化：正入射时SHEL消失，掠入射即入射角接近90°时分裂最显著；据悉，显而易见的是，SHEL与介质的折射率有关，因此包含了构成介质分界面的材料信息，这既为借助材料特点操控SHEL，也为借助SHEL研究材料特点及其中的化学现象提供了可能．
可以从多个角度解释SHEL形成的诱因．基于光子载流子与光波偏振光之间的关系以及光子的弱冠动量守恒，可以对这一现象提供一个简单直观的解释．因为光波具有动量，因此当剖析光波的电矢量处于旋转状态时，人们必将想到左、右旋圆偏振具有一定的角动量．事实上，依据量子热学，每位光子都携带角动量，其大小为h-bar（约化普朗克常量）,也就是说，任何频度的光子都具有相同大小的角动量，这些固有的化学现象称为光子的载流子；载流子角动量的方向取决于圆偏振光是右旋还是左旋：右旋和左旋（光子载流子方向分别平行和反平行于光束传播方向）圆偏振光光子分别具有+h-bar和-h-bar的角动量．因任何一个微观粒子具有的角动量是它的载流子角动量与轨道角动量之和，而光子载流子轴的方向与传播方向一致，所以若只考虑沿光的传播方向上的弱冠动量，则此时的轨道角动量为零，也即光子在传播方向上总的角动量就是其自身的载流子角动量．
当光从光疏介质射入光密介质时，如图1所示的光从空气步入玻璃，光将偏向介质分界面的法线方向，也就是说折射角大于入射角．因为对称性，左旋或右旋圆偏振光光子关于法线的弱冠动量Jz必须守恒，而当光从空气步入玻璃介质后，光子载流子角动量沿z方向的份量降低，如图3所示，为此右旋圆偏振光光子必须向-y方向联通以形成一个向下的轨道角动量（图3(a)），而左旋圆偏振光光子必须向+y方向联通以形成一个向上的轨道角动量（图3(b)），能够抵消z方向载流子角动量的增量．也就是说，当一束线偏振从光疏介质射入光密介质后，其左旋和右旋圆偏振光份量都将分别获取一个与其法向载流子角动量方向相反的轨道角动量，以保持法线方向的弱冠动量守恒．正是这两个方向相反的轨道角动量，造成了左旋和右旋圆偏振份量的纵向分裂．同理可解释光从光密介质射入光疏介质或光在介质界面反射时的SHEL．这些解释其实不是十分严格，但简单直观[11]．
图3光从光疏介质射入光密介质时，入射光子（蓝线）和折射光子（绿线）的弱冠动量J及其在法线方向的份量Jz．(a)和(b)分别是右旋和左旋圆偏振光光子情形，J+和J-分别是它们为保持Jz守恒而获取的额外轨道角动量．
从傅里叶光学的角谱理论看光折射的原因 量子物理，光束可看作是由与其传输轴成一定倾角的若干平面波所组成，每位平面波即为一角谱份量．当光束在介质界面改变方向（反射或折射）或在非均匀折射率介质中传输时，不同角谱份量的偏振光将经历不同的旋转量，而这些旋转量又与相位相关，因而不同角谱份量互相干涉的结果形成两束分裂的光束．从物理上讲，光的偏振光和相位之间的互相作用好比电子系统中电子SHE的载流子-轨道互相作用．人们习惯于把光看成是波，而且觉得光学效应比起相应的量子热学效应来更为寻常一些，虽然两种数学事实上是等价的．无论是药量子力学的方式还是用精典的方式去描述SHEL，二者的本质都是一致的：光的载流子-轨道互相作用是引起SHEL中光束重心载流子相关分裂的内在化学缘由．从Berry相位理论看，与电子SHE一样，SHEL显示了载流子粒子在外场中演变的深层次几何动力学关系[5,6]．
虽然SHEL是一种常规方式很难观测到的弱效应，但原理上可以使SHEL造成的光束分裂显得很大，因而分离不同的载流子态或不同的轨道角动量态，因而SHEL有望作为操控光子角动量的工具，应用于量子信息领域[7]．据悉，SHEL本身可以发展成一种精密的计量工具，拿来诸如表征亚波长尺度上的折射率变化[4]，或为研究纳米结构中的数学特点提供一种灵敏的方法[12]．非常是，因为SHEL与汇聚态和高能化学中的SHE有高度的相像性和共同的拓扑症结，所以SHEL的研究将除了对光学，同时还对其他学科形成重要影响[5,6]．比如，对相对论粒子来说，目前的实验能力尚远不够检测其SHE；而对汇聚态系统来说，因为杂质散射造成的各类内在效应的竞争以及追踪电子轨迹的不可能性，所以观测电子SHE的实验条件极其复杂．因而，SHEL作为一种虽然很弱但又很纯(clean)的化学效应，为检测SHE这类弱拓扑现象提供了奇特而又便捷的机会．
应《物理》杂志约请，撰写“光载流子霍尔效应及其研究进展”一文。这里贴出的是“简介”部分，基本上是学习、理解和总结，没有原创。文章尚在建立中，欢迎批评见谅！
参考文献
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[2]QiXL,ZhangSC.Today,2010,63:33
[3]OnodaM,S,N.Phys.Rev.Lett.,2004,94:
[4]O,KwiatPG.,2008,319:787
[5]KY,NivA,V,E.,2008,2:748
[6]NoriF.,2008,2:716
[7]ReschKJ.,2008,319,:733
[8]FI.Dokl.Akad.NaukSSSR,1955,105:465
[9]C.Phys.Rev.D,1972,5:4
[10]Y,DZ,L.Phys.Rev.Lett.,1988,60:1351
[11]DayC.Today,2008,61:18
[12]MénardJ-M,AE,DrielHM,etal.Phys.Rev.B,2010,82: