论光子自旋与电子轨道角动量的耦合

部分镀金的 90 度玻璃楔和金薄膜中末端为导电纳米结的半无限狭缝作为样品,用于研究光子自旋向电子轨道角动量的转移。这些结构被专门设计为入射光束发生逆反射的样品。由于在逆反射过程中圆偏振光束的旋向不变而传播方向反转,光子自旋发生反转。由于角动量守恒,光子自旋向传导电子的电子轨道角动量发生转移。在这些结构中电子的圆周运动被阻断,因此转移的自旋可由于角动量转移诱导的电动势而被检测为光电压。取决于入射光束的偏振,在两种结构中均测量到约 0.2 微伏的最大光电压。结果用单色线偏振光子的经典电动力学模型来解释,该模型将光子视为携带角动量 h/2pi 且能量为 hf 的有限能量传播孤波电磁波,其中 h 为普朗克常数,f 为光的频率,该模型在别处有详细阐述。对于不同偏振,测量到的光电压的相对值可以很好地用光子的电动力学模型及相关自旋角动量来解释。测量到的光电压的绝对值也与该解释一致。观察到的效应与光学中聚焦光束的横向 Fedorov-Imbert 位移、光学自旋霍尔效应以及其他非线性光学效应(如逆 Faraday 效应)密切相关,此处我们用光子及其自旋的电动力学模型对这些效应给出了新的解释。