新浪博客
(Klaus von
Klitzing)和分数量子霍尔效应的发现者崔琦等人．
最近几年，一种新型的霍尔效应——自旋霍尔效应（Spin Hall Effect，SHE），引起人们的强烈兴趣，自2004年被美国加州大学圣巴巴拉分校Awschalom团队[1]首次在实验上观测到以来，已成为目前凝聚态物理中一个相当热门的研究方向．由于相对论效应自旋-轨道耦合作用的存在，人们发现在这样的体系中，在没有外加磁场条件下即使是在非磁性材料中，也存在类似的霍尔效应：自旋向上的电子和自旋向下的电子分别向两边运动从而分离开来．与以往跟电荷相关的霍尔效应完全不同，这种霍尔效应与电子的自旋密切相关．由于电子的自旋与电荷一样，可以用来储存和传递信息，而且自旋霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，也就是说不会发热，因而引发了科学界对研制新的电子元器件的设想[2]．
如上所述的各种霍尔效应都是针对电子等带电粒子的．除了电子以外，其它粒子特别是中性粒子是否也有类似的霍尔效应？2004年，日本AIST的Onoda等人[3]从理论上明确提出，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的光自旋霍尔效应（Spin Hall Effect of Light，SHEL）：在介质折射率梯度扮演的外场作用下，光束或波包沿垂直于折射率梯度方向发生自旋分裂．2008年，美国Illinois大学Hosten和Kwiat[4]利用弱测量（Weak Measurement）方法，首次从实验上证实了这一现象．与电子SHE引发科学界对研制新的电子元器件的设想一样，光子作为当今时代信息和能量的重要载体，人们完全有理由期待SHEL的研究将导致新型光子学器件的产生，并可能衍生出一门类似于自旋电子学(Spintronics)的新学科——自旋光子学(Spin-optics) [5,6]．这儿对SHEL作一简单介绍．
电子SHE依赖于两个关键因素：电子的自旋-轨道角动量耦合及其导致这种耦合作用的纵向加载的电场．光子既有内在的自旋角动量（与圆偏振的手性相关），也有外在的轨道角动量（与螺旋相位有关）．因此人们自然有理由推测，光子的自旋-轨道角动量耦合应该也能产生光的SHE．关键问题是：谁来扮演外场的角色以及如何产生光子的自旋-轨道角动量耦合作用？
光子有自旋但却因其为中性粒子而无磁矩,因此无法用外加场的方法去改变其自旋轴的方向．但由于光子自旋轴的方向与传播方向一致，因而使我们想到若改变光的传播方向将会改变光的自旋态，即自旋矢量在空间的指向；而改变光的传播方向最简单直接的方式是利用光的反射和折射，其本质是改变光在其中传播的介质的折射率．在Hosten和Kwiat[4]首次观测SHEL的实验中，正是介质分界面上折射率的阶跃变化（折射率梯度）充当了电子SHE中外加电场的角色，而圆偏振光的右旋和左旋分量分别充当了上旋和下旋电子的角色．因此，相较于电子SHE，SHEL表现出来的特征是圆偏振光的右旋和左旋分量最后在垂直于入射面的横向产生一个很小的相对位移，如图1所示．在同一年Bliokh等人[5]报道的SHEL实验中，将光掠入射到一根圆柱形玻璃介质中，圆柱形的介面使光在其中沿螺旋形轨迹传播，从而不断改变光子的自旋角动量并导致自旋-轨道角动量耦合，进而产生了类似的光束分裂，如图2所示．由此我们还可以想象，若把一根光纤绕成螺旋状，光在其中传播将很容易产生自旋-轨道角动量耦合．
从SHEL表现出来的特征看，它似乎违背了经典几何光学，或者说它很难单独用经典几何光学（如Snell定律和Fresnel公式）来解释．牛顿光学认为：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．然而，这违背了光的角动量守恒定律．1955年，Fedorov[8]在理论上预言：当一束圆偏振光发生全内反射时，光束重心将产生一个垂直于入射面的横向漂移．当考虑了这一横向漂移后，光在反射时满足角动量守恒定律．1972年，
最近几年，一种新型的霍尔效应——自旋霍尔效应（Spin Hall Effect，SHE），引起人们的强烈兴趣，自2004年被美国加州大学圣巴巴拉分校Awschalom团队[1]首次在实验上观测到以来，已成为目前凝聚态物理中一个相当热门的研究方向．由于相对论效应自旋-轨道耦合作用的存在，人们发现在这样的体系中，在没有外加磁场条件下即使是在非磁性材料中，也存在类似的霍尔效应：自旋向上的电子和自旋向下的电子分别向两边运动从而分离开来．与以往跟电荷相关的霍尔效应完全不同，这种霍尔效应与电子的自旋密切相关．由于电子的自旋与电荷一样，可以用来储存和传递信息，而且自旋霍尔效应中的电流几乎没有能量损失，也就是说不会发热，因而引发了科学界对研制新的电子元器件的设想[2]．
如上所述的各种霍尔效应都是针对电子等带电粒子的．除了电子以外，其它粒子特别是中性粒子是否也有类似的霍尔效应？2004年，日本AIST的Onoda等人[3]从理论上明确提出，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的光自旋霍尔效应（Spin Hall Effect of Light，SHEL）：在介质折射率梯度扮演的外场作用下，光束或波包沿垂直于折射率梯度方向发生自旋分裂．2008年，美国Illinois大学Hosten和Kwiat[4]利用弱测量（Weak Measurement）方法，首次从实验上证实了这一现象．与电子SHE引发科学界对研制新的电子元器件的设想一样，光子作为当今时代信息和能量的重要载体，人们完全有理由期待SHEL的研究将导致新型光子学器件的产生，并可能衍生出一门类似于自旋电子学(Spintronics)的新学科——自旋光子学(Spin-optics) [5,6]．这儿对SHEL作一简单介绍．
电子SHE依赖于两个关键因素：电子的自旋-轨道角动量耦合及其导致这种耦合作用的纵向加载的电场．光子既有内在的自旋角动量（与圆偏振的手性相关），也有外在的轨道角动量（与螺旋相位有关）．因此人们自然有理由推测，光子的自旋-轨道角动量耦合应该也能产生光的SHE．关键问题是：谁来扮演外场的角色以及如何产生光子的自旋-轨道角动量耦合作用？
光子有自旋但却因其为中性粒子而无磁矩,因此无法用外加场的方法去改变其自旋轴的方向．但由于光子自旋轴的方向与传播方向一致，因而使我们想到若改变光的传播方向将会改变光的自旋态，即自旋矢量在空间的指向；而改变光的传播方向最简单直接的方式是利用光的反射和折射，其本质是改变光在其中传播的介质的折射率．在Hosten和Kwiat[4]首次观测SHEL的实验中，正是介质分界面上折射率的阶跃变化（折射率梯度）充当了电子SHE中外加电场的角色，而圆偏振光的右旋和左旋分量分别充当了上旋和下旋电子的角色．因此，相较于电子SHE，SHEL表现出来的特征是圆偏振光的右旋和左旋分量最后在垂直于入射面的横向产生一个很小的相对位移，如图1所示．在同一年Bliokh等人[5]报道的SHEL实验中，将光掠入射到一根圆柱形玻璃介质中，圆柱形的介面使光在其中沿螺旋形轨迹传播，从而不断改变光子的自旋角动量并导致自旋-轨道角动量耦合，进而产生了类似的光束分裂，如图2所示．由此我们还可以想象，若把一根光纤绕成螺旋状，光在其中传播将很容易产生自旋-轨道角动量耦合．
从SHEL表现出来的特征看，它似乎违背了经典几何光学，或者说它很难单独用经典几何光学（如Snell定律和Fresnel公式）来解释．牛顿光学认为：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．然而，这违背了光的角动量守恒定律．1955年，Fedorov[8]在理论上预言：当一束圆偏振光发生全内反射时，光束重心将产生一个垂直于入射面的横向漂移．当考虑了这一横向漂移后，光在反射时满足角动量守恒定律．1972年，