来自日本的研究人员利用矢量光学涡旋（左），一种具有空间变化偏振的结构光，在半导体量子阱中产生空间结构的自旋态（左）。这是通过将涡旋光束的结构印在电子自旋上而实现的。此外，激发的自旋纹理和PSH场的结合导致了两个相位相反的螺旋自旋波。资料来源：日本TUS的Jun Ishihara。

光是由相互垂直振荡的电场和磁场组成的。当这些振荡被限制时，比如说，沿着一个平面，就会产生偏振光。偏振光在光通信中非常重要，而且同样可以彻底改变信息的存储方式。

目前的电子设备以电子电荷的形式存储信息。然而，自旋--电子独特的量子属性--提供了一个替代方案。自旋可以用偏振光来控制，以存储信息。一束偏振光与半导体内的电子自旋相互作用，产生自旋偏振电子，即沿特定方向排列的自旋。到目前为止，只有均匀的偏振光，即具有空间上均匀偏振的光，被利用来控制电子自旋。然而，如果偏振有一个额外的空间结构（变化），它可以产生空间结构的电子自旋，开辟了存储信息的新途径。

为此，由日本东京理科大学（TUS）的Jun Ishihara副教授领导的一组研究人员，包括研究生Takachika Mori、研究生（研究时）Takuya Suzuki和教授Kensuke Miyajima，现在已经设计出一种方法，利用具有空间变化的偏振曲线的结构光产生这种空间结构的电子旋。这项研究发表在《物理评论快报》杂志上，是与日本千叶大学、东北大学和筑波大学的研究小组合作完成的。

"在这项工作中，我们使用涡旋半波板和四分之一波板装置从基本的高斯光束中产生了一个甜甜圈形状的结构光--具有轨道角动量（OAM）的矢量光学涡旋光。然后，我们使用该光束来激发限制在砷化镓/砷化铝半导体量子阱内的电子自旋。这些自旋又在一个圆中形成了一个螺旋形的空间结构，"石原博士解释说。

有趣的是，当OAM数等于1的光束在圆周上产生了具有两个自旋周期的螺旋--自旋上升和自旋下降，而OAM数为2的光束则产生了具有四个这种变化的螺旋。这些观察表明，由OAM决定的光涡旋的空间偏振结构被转移到半导体内部的电子自旋上。此外，增加OAM数量被认为能够实现更高的信息存储能力，其特点是围绕圆周的自旋重复率更高。

此外，研究人员利用自旋轨道相互作用的有效磁场作用于量子阱中的电子自旋，用一束光同时产生两个垂直方向上相位相反的自旋波。这表明，通过利用有效磁场（固体的一个特征）和结构化光束，可以产生各种具有空间结构的自旋态。​

有了这样令人兴奋的结果，研究人员讨论了他们工作的未来前景。"石原博士说："将光的空间偏振结构转换为自旋的空间结构，同时结合固体中的有效磁场产生新的自旋空间结构，有望带来利用自旋纹理进行高阶量子介质转换和信息容量增强的基本技术。

更多信息

Jun Ishihara et al, Imprinting Spatial Helicity Structure of Vector Vortex Beam on Spin Texture in Semiconductors, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.126701​

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