上海交大王波、陈险峰研究团队在具有布朗运动的纳米颗粒系统中发现巨大光子自旋锁定效应

近日，上海交通大学物理与天文学院王波副教授、陈险峰教授与以色列理工学院Erez Hasman教授组成的研究团队在复杂纳米光学系统研究领域取得重要突破。他们在实验上首次观察到具有布朗运动的纳米颗粒系统在巨量光散射后产生的宏观光学自旋锁定效应。该效应突破了人们对无序系统破坏光学偏振信息的认知，揭示了一种新的光学自旋轨道耦合原理。研究团队进一步利用该效应实现了一种探测纳米尺度颗粒信息的精确自旋光谱方案，对通过宏观动态无序介质的光信息探测和传输具有重要研究意义。相关研究成果以“Brownian spin-locking effect”为题发表在国际顶级期刊Nature Materials上。

背景介绍

光的自旋是波动系统所携带的固有角动量，在经典与量子物理体系中均发挥着核心作用。在光学中，自旋角动量对应于光的圆偏振，其调控与测量不仅对于基础物理研究至关重要，也广泛应用于光学通信、量子信息、光学成像和纳米颗粒表征等领域。许多光学自旋相关效应可被描述为光的两个自旋分量在空间上的稳定分离，其产生依赖于较强的磁光效应或者人为精心设计的对称破缺微纳结构或几何相位。然而，由于布朗运动主导的三维无序介质具有时间和空间均无序的特点，光在其中传播经过多次散射，相干性和偏振状态迅速丧失，偏振信息迅速湮灭。当前的研究结果普遍认为在动态无序介质中难以实现自旋相关的光学效应。这是因为随着无序程度增加，本应存在的对称性破缺条件逐渐丧失，平均几何相位梯度趋于零，自旋分裂效应也随之消失。

实验结果

（a）光自旋锁定效应的实验观测与理论解释

在实验中，研究团队将一束偏振平面激光正入射打入金纳米颗粒溶液中，在与激光入射方向垂直的平面上采集散射光。探测器系统的采集时间远大于相干时间，因此观测的是非相干散射结果。 实验发现，散射强度分布由与激光束空间重叠的区域和激光束两侧的上下扩散区域组成，这两个扩散区分别表现出相反方向的自旋角动量。尽管系统具有动态无序特征，但自旋场并未被破坏，而是形成两个对称的宏观区域，并且空间分布高度均匀。这一现象的物理机制由两个方面组成：首先，自旋对称性破缺由电磁场激发球形纳米颗粒的米氏散射所导致，该效应主要由非同相的多级子共振效应引起，且自旋出现在垂直于入射动量的观测方向上，不需要任何结构各向异性或手性。其次，众多纳米颗粒的随机运动导致光的非相干多重散射，这种非相干效应不但没有破坏自旋性质，反而避免了相干光的随机偏振散斑效应。由于实际的散射体系包含巨大数量的纳米颗粒，计算量超出了常规计算机算力。研究团队将多次散射简化为“两步散射理论”，成功解析了光自旋在动态无序体系中的稳定传递机制，为纳米颗粒体系中光场的精密调控提供了新方法。

图1 光在布朗运动颗粒系统中自旋锁定效应的实验结果，在动态随机介质中的光自旋劈裂程度是波长的数千倍。

图2 光自旋锁定效应理论

图3 非偏振光的光子自旋锁定效应

（b）自旋光谱分辨技术

利用该效应，研究团队开发了自旋分辨光谱技术，用傍轴光系统精确测量了随机运动纳米颗粒的尺寸。在实验中，研究团队使用宽带激光作为激发光源，并用光谱仪替代相机，以捕获自旋分量的光谱。研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）测量样品粒径分布作为基准参考。实验获得的自旋光谱覆盖430-700 nm波长范围，与基于散射理论计算的光谱进行对比。结果显示，实验光谱与理论光谱高度一致，其中样品1的最高相关粒径为 100 nm，与SEM测量值101 nm相符，测量精度达99%；样品2和样品3的精度分别为89%和97%。最终，该自旋分辨光谱技术实现了对颗粒尺寸的高精度测量。该创新方案不仅为纳米颗粒的快速、非侵入式测量提供了新方法，也为光学无序体系中自旋控制和光场信息提取开辟了新的研究方向，在精密光学测量与随机光学调控中具有广阔应用前景。

图4 利用自旋光谱分辨技术测量纳米颗粒

总结与展望

本研究首次在具有时空无序的布朗运动介质中观测到了光子自旋锁定现象。这些结果为研究散射光在宏观尺度上的自旋行为开辟了新路径，不仅在显微和动态光散射手段之外推动了一种新的纳米颗粒表征技术，也为在经典与量子体系中的其他波动系统中发现类似效应提供了新的启示。

上海交通大学物理与天文学院2022级博士生张晓， 致远学院2025届本科生陈陪阳为论文共同第一作者。上海交通大学王波副教授、陈险峰教授以及以色列理工学院Erez Hasman教授为论文通讯作者。论文合作者还包括了上海交通大学物理与天文学院2023级硕士生李美和同济大学施宇智教授。本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委国际合作项目、上海交通大学2030 计划、阳阳发展基金等支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02413-5

作者： 叶丹 供稿单位： 物理与天文学院