近日，马里兰大学的研究团队发表了一项突破性研究，宣布他们成功开发出利用涡旋光（光学轨道角动量）操控电子量子霍尔态的新机制。这一创新研究通过光学泵浦将涡旋光的角动量传递给量子霍尔态的电子，实现了基于光学轨道角动量的径向光电流生成。该研究以“Optical pumping of electronic quantum Hall states with vortex light”为题，发表在《Nature Photonics》上。
研究背景：超越偶极近似的光物质相互作用
量子技术的发展依赖于对光与物质相互作用的精确控制。在传统的光物质相互作用中，电子与光之间的线性或角动量交换受到偶极近似的限制。然而，这种近似在许多场景中无法满足，例如探索手性电子与涡旋光的耦合。本研究突破了这一限制，成功实现了涡旋光的角动量向量子的电子态转移。
通过涡旋光与量子霍尔态电子间的相互作用，研究团队观察到涡旋光携带的角动量可以直接影响电子的径向分布，从而在石墨烯量子霍尔器件中生成径向光电流。这一现象不仅为量子光电技术提供了新工具，还揭示了光学轨道角动量在量子态操控中的潜力。
实验核心：从涡旋光到量子霍尔电子的角动量传递
研究团队使用一种环形（Corbino）石墨烯器件，通过外加磁场和空间光调制器生成涡旋光束。实验表明，当涡旋光入射到环形器件中时，电子的空间分布会随光的涡旋特性发生改变，进而生成方向由涡旋光涡度决定的径向光电流。
更重要的是，这一光电流的强度主要由涡旋光的轨道角动量决定，而非光的偏振特性。这一结果通过与圆偏振光的对比实验得到验证，凸显了涡旋光在操控空间电子态中的独特作用。
该研究提供了一种全新的视角，将光学轨道角动量作为操控电子量子态的有效手段。研究结果表明，涡旋光可作为一种强大的工具，用于探测电子波函数的空间相干性及其在量子霍尔平台中的转变。
此外，这一机制可以扩展到更复杂的量子体系，例如分数量子霍尔态和非阿贝尔任意子。通过控制光学角动量和外部条件，科学家可以进一步探索电子与光子相互作用的拓扑和手性特性，为未来的量子光电技术和新型材料研究铺平道路。
展望：光与物质相互作用的新边界
研究团队指出，这一光学泵浦机制具有广泛的应用前景。从高精度量子态探测到非线性光学效应的研究，涡旋光与量子霍尔电子态的结合为量子技术开辟了新的可能性。未来，结合太赫兹领域的研究，科学家们或将实现更高效的量子态操控，为量子信息处理和光电集成器件的开发奠定基础。
该研究不仅推动了量子霍尔电子态的光学操控，也为结构化光在量子体系中的应用提供了重要启示。这一领域的进一步探索，将为现代光子学和量子技术的发展注入新动能。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41566-024-01565-1
欢迎学术工作来稿，无偿宣传。
