微觀粒子的自旋角動量和軌道角動量是描述粒子復雜動力學行為中最基本的兩個物理量，這兩個角動量之間的耦合普遍存在于自然界之中。光子的自旋-軌道相互作用，在光與物質相互作用的研究以及應用中具有舉足輕重的意義。光子的自旋-軌道相互作用可以分為自旋-軌道轉換和軌道-自旋轉換。光子的自旋-軌道轉換在近十年來得到廣泛的研究，然而它的逆過程——軌道-自旋轉換至今仍未在實驗中得到很好的觀測和調控。

隨著超短脈沖激光技術的飛速發展，超強飛秒激光的光場能量在時空中的高度集中，使得聚焦后的激光場強度可以遠遠超過原子內部庫侖場（I>1016W/cm2）。對于如此強的激光場的自旋態-軌道態及其耦合，可以調控強光與物質的許多非線性相互作用過程。但由于巨大的光子能量密度，傳統的光學方法，譬如近場重構技術，在強場領域已經完全失效，揭示強激光場中光子的自旋-軌道相互作用是一個沒有解決且非常重要的問題。

上：光場的軌道-自旋相互作用及光電子成像實驗示意；下：實驗結果及理論模擬

人工微結構和介觀物理國家重點實驗室“極端光學創新研究團隊”劉運全教授和龔旗煌院士等結合高分辨光電子成像技術，對光場調控對強激光場中光子自旋軌道相互作用進行了開創性研究。他們利用超結構波片和螺旋相位板將平面波制備成徑向偏振的光渦旋，并借助狹縫控制光場的空間形狀，在此過程中，光子始終只具有軌道角動量而不具有自旋角動量。進一步，將得到的合成結構光場進行聚焦，通過理論模擬，他們發現焦點的光場會耦合出自旋角動量。他們借助光電離這一非線性過程對超強激光光場的軌道角動量和自旋角動量轉換進行表征。通過冷靶反沖離子電子動量成像譜儀（COLTRIMS）實驗裝置，測量結構光場與Xe原子相互作用的光電子動量分布。實驗發現，通過控制狹縫間距，Xe原子電離產生的光電子動量分布會隨著狹縫間距的減小發生明顯變化，光電子動量分布逐漸從類似于圓偏光場作用形成的光電子動量分布【M. M. Liu et al.，Phys. Rev. Lett. 120, 043201（2018）】, 逐漸變成了類似線偏光作用下形成的光電子動量分布【M. Li et al.，Phys. Rev. Lett. 023006 （2013）】。實驗結果直接證明了結構光場發生了軌道自旋轉化，轉化得到的自旋角動量通過光電子動量得到了非常直觀的體現。實現強激光場光子軌道角動量-自旋角動量的轉換，可以廣泛應用于產生具有高軌道態、自旋態可控的極紫外光子束和電子束等。

相關研究以“Photoelectronic mapping of the spin–orbit interaction of intense light fields”為題于近日發表在《自然·光子學》上。研究論文第一作者是博士生方一奇，研究工作得到了國家自然科學基金委、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、教育部納光電子前沿研究中心、量子物質科學協同創新中心和極端光學協同創新中心等的支持。

北京大學物理學院、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室極端光學創新研究團隊古英教授和龔旗煌教授等在腔量子電動力學和拓撲光子學的交叉研究中取得重要進展：提出了拓撲保護下的邊界態主導的模式耦合機制，在此基礎上發現了腔量子電動力學弱耦合體系在拓撲光子晶體中的珀塞爾增強的吸收減少效應，并實現了高光子收集效率。相關研究成果發表在物理學權威期刊《物理評論快報》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。

拓撲光子晶體的拓撲態具有光子無散射傳播和免疫缺陷的拓撲保護特點，被越來越多地運用在微納光子學和量子光學器件上，成為重要的光學新興領域。微納尺度的單光子源是片上量子信息處理的重要部分，利用微納光子器件結構的局域場增強來改善單光子自發輻射是實現單光子源的關鍵原理，但無法避免散射和吸收造成的損耗，且在傳輸中單光子收集效率不高。研究團隊首先提出了由拓撲態主導的模式耦合的原理，通過精心設計光學模式，將金屬納腔置于一維拓撲光子晶體中(圖1(a))，通過拓撲態主導模式耦合的機制(圖1(b))，實現了超大的珀塞爾增強，并得到了珀塞爾增強的吸收減少效應(圖1(c, d))。同時，通過利用拓撲邊界態作為光子傳輸通道，使得非吸收損耗的光子幾乎全部被收集的高光子收集效率(圖1(d))，最大光子收集率達到了79.5%。這種拓撲態主導模式耦合機制和相應的吸收減少效應，可以拓展到更高維度的光子結構上，對以后的拓撲光子晶體和微納尺度腔量子電動力學的研究產生重要影響。同時，無散射的大珀塞爾增強可以應用在片上量子光源的制備上。

圖1(a) 嵌入金屬納腔的一維拓撲光子晶體示意圖；(b) 拓撲態主導的模式耦合機制示意圖；(c) 無拓撲光子晶體環境的金屬納腔中珀塞爾增強；(d) 拓撲保護下的金屬納腔的珀塞爾增強。

北京大學博士生錢祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授為通訊作者。中山大學董建文教授參與合作研究。研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委杰出青年基金、量子物質科學協同創新中心、極端光學協同創新中心、納光電子前沿科學中心、廣東省重點研發計劃等的支持。

相關鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.023901