西安交通大學電信學部電子學院科研團隊在原子蒸汽中構造了晶格勢場實時可調的光學石墨烯結構，並利用在此結構中激發贗自旋獲得渦旋光這一拓撲現象，對系統中極其微弱的光子自旋軌道耦合效應實現了顯著觀測和全光調控。科研人員通過實驗明確了光子自旋軌道耦合對光學石墨烯中的拓撲效應產生的影響，闡明了拓撲系統可以成為「放大」某些微弱效應的物理基礎。研究成果以「Spin-orbit coupling in photonic graphene」為題於5月6日發表在Optica上。
在經典光學中，光的偏振態可能隨光的空間傳播方式而發生改變。如果光波不是平面光，而是具有三維空間結構，例如沿螺旋軌跡傳播，那麼光的偏振態也會隨傳播路徑發生偏轉，可類比於經典粒子在旋轉坐標系中受到科裡奧利力的作用 （圖1）。這種光的偏振態與其運動軌道之間的相互作用，就是光子的自旋軌道耦合效應。要想實現這類偏振旋轉，需要傳播介質在橫截面上具有一定的折射率梯度。在電磁誘導透明（EIT）條件下，這種梯度可以通過調節泵浦光強的空間分布形成。然而，這種緩變折射率形成的自旋軌道耦合效應非常微弱，發生的偏振旋轉是難以直接測得的。
圖1 （a）光子自旋軌道耦合效應的示意圖。光沿z方向傳播，折射率梯度沿x方向;（b）初始偏振態沿x方向的光在傳播過程中發生偏轉；（c）光束沿x方向偏振的分量，形狀偏離標準高斯型；（d）光束沿y方向偏振的分量在傳播過程中自發產生。
西安交通大學科研團隊利用泵浦光束幹涉的方法，通過熱銣原子介質中的EIT效應構造了可調控的光學石墨烯結構（圖2）。當用探測光激發光學石墨烯的狄拉克錐點時，其贗自旋攜帶的拓撲荷轉化為探測光的軌道角動量，使之變成渦旋光。
科研團隊在2019年對此類渦旋的動力學展開了深入研究，發現旋心的運動軌跡不是利用狄拉克方程做近似計算得到的直線，而是旋轉的擺線，並表現出相互環繞等獨特的運動方式。這種運動可以通過旋心作為「粒子」的量子不確定性進行完美描述[Phys. Rev. Lett. 122, 233905 (2019)]。
圖2 原子介質光學石墨烯實驗裝置圖
最近，科研團隊進一步發現上述拓撲現象可用來「放大」光子自旋軌道耦合效應的作用效果，使得微弱的效應在觀測中得到顯著的體現。
由於EIT效應的偏振依賴性，當探測光與泵浦光垂直時，激發狄拉克錐點就會形成渦旋；當探測光與泵浦光平行時，則幾乎不會形成渦旋。在光子自旋軌道耦合的作用下，與泵浦光垂直的偏振光在傳播過程中不斷發生變化，在自身被原子介質吸收的同時，不斷衍生出吸收係數低約20倍的與泵浦光平行的偏振分量。因而當探測光在原子介質中傳播距離一定時，通過改變探測光的偏振態，使其垂直方向的分量不斷減小，就可以觀測到渦旋從光束的中心向邊緣移動並逐漸消失。
團隊在實驗中非常清晰的呈現了這種現象：無論系統中存在一個、兩個相同或相反拓撲荷的渦旋，由激發狄拉克錐產生的那個渦旋總是隨著探測光偏振態的改變而逐漸消失（圖3）。