光学自旋电子学：实现无能量传递的光通信新范式

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Optical spintronics: Towards optical communication without energy transfer

本综述创新性地提出了光学自旋流（Optical Spin Current）概念，阐述了电磁场可在不伴随能量传递的情况下转移光自旋角动量（SAM），类比于电子自旋流中自旋与电荷流的解耦。基于此原理，文章设计了光学自旋二极管和环形器（Optical Spin Circulator），实现了自旋流的单向传输与能量流的双向互易，并通过量子点间不对称自旋转移实验验证了其在光学自旋电子学中的应用潜力，为低能耗光学计算和通信提供了新范式。

　　

亮点

光学自旋流

电磁场的角动量可表示为与光束空间分布相关的轨道角动量（OAM），以及与光偏振相关的自旋角动量（SAM）之和。由于本研究仅关注SAM，此处不对OAM物理原理展开介绍。与电磁能量和线性动量类似，SAM满足连续性方程。

非互易光学自旋电子器件

公式（4）表明，在自由空间中光学自旋流的传播方向不受限制，但这种限制可通过各类光学器件实现。最简示例是光学自旋隔离器——一种双端口光学网络，其中光学自旋流仅能单向传输。考虑一个支持电磁波两种正交偏振模式的双端口网络，其输入输出端口可通过控制手性材料特性实现自旋流的非互易调控。

光学自旋二极管

众多光学结构和器件具有固有或工程化的非零圆二色性（CD）：光学谐振腔、超表面、等离子体结构等。然而，最简示例是由手性材料构成的光学结构，其各向同性手性介质的本征模为左旋（LH）和右旋（RH）圆偏振波，通过调控介电常数ε、磁导率μ和手性参数κ可实现自旋流的选择性传输。

通过光学自旋流的信息传递

非互易传输对于光学信息处理与传输系统至关重要，它能提升信号传输质量、抑制背向散射和反射，并实现光学开关、不对称功率限制器等高级功能。光学自旋电子学不仅提供可行的非互易器件方案，由于构建不对称自旋流无需打破洛伦兹互易性，更为低能耗光学互联开辟了新路径。

结论

我们证明了光自旋转移可独立于电磁能量转移而发生。例如，反向传播的左旋圆偏振（LCP）与右旋圆偏振（RCP）波的叠加将产生零能量通量但非零的光学自旋流。此外，通过调控系统材料特性，可实现自旋流的非互易传输特性，从而推动非互易光学器件的创新。