日前，清华学院化学学系光子晶体课题组基于连续谱中禁锢态（BIC）在动量空间具有的拓扑涡旋构象，深入挖掘光子晶体动量空间的偏振光自由度，实现了光的载流子霍尔效应。相关研究成果以“SpinHallofLightvia-SpaceBoundinthe”为题，在线发表在上，并被选为了’。
光的载流子轨道耦合是许多新奇光学效应的数学基础，其广泛存在于各种光学过程的。光的载流子霍尔效应就是一种具有代表性的载流子轨道耦合的效应。光的载流子霍尔效应通常彰显为光束在界面反射、折射等光学过程中不同载流子份量的分离，例如载流子依赖的纵向光束位移（载流子霍尔位移）。自旋霍尔位移也可以从动量空间的载流子依赖的相位梯度来理解，在之前大部份的工作中，所讨论的载流子依赖的相位梯度都是垂直于光束的入射面的，因此所实现的载流子霍尔位移也大多是垂直于光束入射面的纵向位移，对载流子霍尔位移实现更多自由度的调控有待进一步深化。
研究团队基于BIC在动量空间提供的偏振光自由度，提出了可以借助围绕BIC的拓扑偏振光涡旋来实现光的载流子霍尔效应。光子晶体平板中光学模式的非局域特点以及在动量空间中围绕BIC的拓扑涡旋构象可为入射到光子晶体平板的光束同时引入动量空间的几何相位梯度和交叉极化的共振相位梯度，从而可以实现更多自由度的光载流子霍尔位移。研究团队分别从模拟上和实验上实现了基于围绕BIC的拓扑涡旋的光载流子霍尔效应霍尔效应，实现的载流子霍尔位移将位移方向拓展到了四个象限霍尔效应，还进一步在不同波长下实现了位移大小变化的载流子霍尔位移。
光的载流子-涡旋转换和光的载流子霍尔效应是光载流子轨道耦合的两种具有代表性的现象。研究团队专注于对动量空间偏振光场的探求，在之前的工作实现了基于BIC拓扑涡旋的涡旋光生成[Nat.14,623–628(2020)]，本工作则是借助BIC拓扑涡旋实现了光的载流子霍尔效应。围绕BIC的拓扑涡旋为光场调控引入了动量空间偏振光自由度，也为光的载流子轨道耦合提供了更丰富的调控手段。
论文的第一单位为清华学院，我系博士研究生王佳俊为论文第一作者，资剑院士和石磊院长为论文共同通信作者。本工作得到了科技部重点研制项目，国家自然科学基金，北京市教委项目等基金的支持。
图1：通过围绕BIC的拓扑涡旋实现的光载流子霍尔效应示意图以及检测的实验结果