近日，我校陈振强研究员团队在光学顶级期刊Light：Science & Applications（IF=19.4）上发表了题为“Spin-orbit Rabi oscillations in optically synthesized magnetic fields ”的重要研究成果，暨南大学博士研究生刘国华为第一作者，付神贺教授和李真研究员为通讯作者，暨南大学为第一通讯单位。
陈振强研究员带领的光场调控科研团队揭示了自旋-轨道光学拉比振荡现象，为结构光场多维调控提供新的物理原理。该团队研究无发散结构光场与人工晶体相互作用，在高阶光学体系下构建赝自旋-1/2模型，分别在强、弱耦合条件下实现自旋-轨道拉比振荡。此外，通过外场调控等效磁场，实现拓扑荷可调的角动量光场。研究结果有望在经典和量子光学中找到应用。
拉比振荡是二能级量子波包在外磁场驱动下发生周期性振荡的现象，是物理学中重要的基本物理效应之一，已在诸多领域得到应用，如核磁共振成像。目前，拉比振荡已逐渐扩展到其它物理体系，包括原子分子物理、声学、凝聚态物理、光学等。
在现有研究工作中，拉比振荡只涉及两种独立的振荡形式：自旋态振荡和轨道态振荡。如何在高阶物理体系实现自旋-轨道耦合的拉比振荡？针对这一基本问题，该光场调控科研团队通过类比量子力学自旋1/2系统（如图1a），利用左、右旋圆偏振涡旋光场构建高阶光学体系的赝自旋1/2系统（如图1b），并导出相应的等效磁场模型。在等效磁场的作用下，高阶赝自旋态（结构光场模式）在两“能级”间发生周期性振荡。研究人员首次在理论和实验上同时展示了自旋-轨道耦合的拉比振荡行为。
图1 自旋1/2系统：（a）电子自旋构建的二能级系统；（b）高阶光场自旋-轨道模式构建的二能级系统
图2 非共振下的自旋-轨道拉比振荡：（a）不同电压下的两种拉比振荡模式；（b）光场态矢量随电压（等效磁场）的演化轨迹
该研究团队进一步利用外电场调控等效磁场，操控拉比振荡光场的演化行为。如图2所示，在电场的驱动下，实现不同拉比振荡模式的切换，这一现象为光场多维调控提供新的技术原理。
该研究得到国家自然科学基金项目、广东省重点项目、广州市科技计划项目、珠江人才计划项目等的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-023-01238-8
文/图：付神贺
校对：潘琳
责编：杨嘉琳
初审：杨萱、曾庆慧
终审发布：田金奎、孙玉环