光在我们的日常生活和技术中发挥着至关重要的作用基于光就在我们周围。所以我们可能认为我们对光的理解已经相当确定了。但科学家刚刚发现光的新基本属性让我们对 150 岁的老人有了新的认识经典电磁理论这可能会导致在纳米尺度上操纵光的应用。
一篇纯理论物理论文出现在《科学》杂志上是很不寻常的。因此，当有人这样做时，值得仔细观察。在这项新研究中，研究人员汇集了物理学中最古老的一组方程——詹姆斯·克拉克的麦克斯韦著名的光理论- 现代固体物理学的热门话题之一：量子自旋霍尔效应和拓扑绝缘体。
为了理解问题所在，我们首先考虑一下量子自旋霍尔效应中电子的行为。电子具有固有的自旋，就像它们是微小的陀螺一样，不断地绕其轴旋转。然而，这种自旋是一种量子力学性质，并且适用特殊规则 - 电子只有两种选择：它可以顺时针旋转或逆时针旋转（通常称为自旋向上或自旋向下），但自旋的大小旋转总是固定的。
在某些材料中，电子的自旋会对电子的移动方式产生很大的影响。这种效应被称为“自旋轨道耦合”，我们可以通过足球类比来了解它是如何工作的。通过踢带有旋转的任意球，足球运动员可以使球在空中飞行时向左或向右偏离。运动的方向取决于球旋转的方向。
自旋轨道耦合导致电子在行进时经历类似的自旋相关偏转，尽管这种效应不是由马格努斯效应与足球的情况一样，但来自材料内的电场。
正常电流由移动的自旋向上和自旋向下的电子的等量混合物组成。由于自旋轨道效应，自旋向上的电子将向一侧偏转，而自旋向下的电子将向另一侧偏转。最终，偏转的电子将到达材料的边缘，并且无法进一步传播。因此，自旋轨道耦合导致具有不同自旋的电子在样品的相对侧累积。
这种效应被称为经典的自旋霍尔效应，量子力学在上面添加了一个戏剧性的扭曲。行进电子的量子力学波性质将它们组织成沿着样品边缘的整齐通道。在大部分材料中，没有净旋转。但在每个边缘，恰好形成两个电子携带通道，一个用于自旋向上的电子，一个用于自旋向下的电子。这些边缘通道还具有另一个显着的特性：在其中移动的电子不受通常会导致电阻和能量损失的无序和缺陷的影响。
这种将电子精确排序到自旋分离、完美导电通道中的现象被称为量子自旋霍尔效应，这是“拓扑绝缘体”的典型例子——一种内部是电绝缘体但可以导电的材料在其表面。这些材料代表了一种根本不同的物质组织，并有望在以下方面发挥作用：自旋电子学应用程序。读取硬盘磁头基于该技术的技术目前已在工业界得到应用。
开始看到曙光
现在，新的研究表明，这种看似奇异的量子自旋霍尔效应的种子实际上就在我们周围。我们不应该寻找电子，而应该寻找光本身。
在现代物理学中，物质可以被描述无论是波还是粒子。在麦克斯韦理论中，光是电磁波。这意味着它以电场和磁场的同步振荡方式传播。通过考虑这些场在波传播时旋转的方式，研究人员能够定义波的一个属性，即“横向自旋”，它在量子自旋霍尔效应中扮演电子自旋的角色。
在均匀介质（如空气）中，自旋恰好为零。然而，在两种介质（例如空气和黄金）之间的界面处，波的特性发生巨大变化并产生横向自旋。此外，这种自旋的方向精确地锁定在界面处光波的传播方向。因此，当以正确的方式观察时，我们发现光波具有我们所知道的电子量子自旋霍尔效应的基本拓扑成分。
这很重要，因为已经有一系列备受瞩目的实验展示光的自旋与其表面传播方向之间的耦合。这项新工作对这些实验进行了综合解释，揭示了光的固有量子自旋霍尔效应。它还指出了表面波的行为具有一定的普遍性，无论是量子力学电子波还是麦克斯韦经典光波。
利用自旋轨道效应将为在纳米尺度上控制光开辟新的可能性。光纤连接例如，被视为提高计算机性能的一种方式，在这种情况下，自旋轨道效应可用于根据光信号的自旋快速重新路由。随着光通信、计量学和量子信息处理领域提出的应用，看看这种新的转变如何对旧理论产生影响将会很有趣。
