“量子自旋霍爾效應(yīng)”是指找到了電子自轉(zhuǎn)方向與電流方向之間的規(guī)律，利用這個(gè)規(guī)律可以使電子以新的姿勢非常有序地“舞蹈”，從而使能量耗散很低。

在特定的量子阱中，在無外磁場的條件下（即保持時(shí)間反演對稱性的條件下），特定材料制成的絕緣體的表面會(huì)產(chǎn)生特殊的邊緣態(tài)，使得該絕緣體的邊緣可以導(dǎo)電，并且這種邊緣態(tài)電流的方向與電子的自旋方向完全相關(guān)，即量子自旋霍爾效應(yīng)。

超構(gòu)材料中的光學(xué)量子自旋霍爾效應(yīng)

電子的量子自旋霍爾效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)推進(jìn)了凝聚態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，它是 一種電子自旋依賴的具有量子行為的輸運(yùn)效應(yīng) 。大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，描述電磁波場運(yùn)動(dòng)規(guī)律的麥克斯韋方程組內(nèi)稟了光的量子自 旋霍爾效應(yīng)，存在于界面的倏逝波表現(xiàn)出強(qiáng)烈的自旋與動(dòng)量關(guān)聯(lián)性。得益于新興的光學(xué)材料：超構(gòu)材料 （metamaterials ） 的發(fā)展，不僅能夠任意設(shè)定光學(xué)參數(shù)，同時(shí)也能引入很多復(fù)雜的自旋 － 軌道藕合機(jī)理，能夠更加清晰地了解和驗(yàn)證其中的物理機(jī)理。對超構(gòu)材料中量子自旋霍爾效應(yīng)做了簡要的介紹，內(nèi)容主要包括真空中光的量子自旋霍爾效應(yīng)的物理本質(zhì)、電單負(fù)和磁單負(fù)超構(gòu)材料能帶反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的不同拓?fù)湎?nbsp;的界面態(tài)、拓?fù)潆娐废到y(tǒng)中光量子自旋霍爾效應(yīng)等。 

自由空間中光子的拓?fù)湫再|(zhì)

眾所周知，光子的傳播行為主要由麥克斯韋方程組進(jìn)行描述。麥克斯韋方程組基本描述了光從經(jīng)典電磁波到量子體系相對論范疇內(nèi)的所有性質(zhì)。光子本身是自旋為1的粒子，本身的傳播行為便具有內(nèi)稟的自旋 － 軌道耦合效應(yīng)，具有一系列的量子行為，如 Berry 相位，這些量子行為是光具有量子自旋霍爾效應(yīng)的基石。

所熟知的界面?zhèn)鞑ツＪ奖闶潜砻娴入x子體激元 （ surface plasmon polaritons，SPP）。相比于真空中傳播的光，SPP 的傳播模式是橫截面處為倏逝場的表面模，大量研究發(fā)現(xiàn)橫向倏逝波這種傳播模式具有額外的自旋動(dòng)量，而且該動(dòng)量正交于其傳播波矢，這個(gè)額外的自旋動(dòng)量來源于不同自旋拓?fù)浣橘|(zhì)在界面處的拓?fù)湎嘧�，這個(gè)拓?fù)湎嘧円�起可觀察的非平凡的光量子自旋霍爾效應(yīng)。 

除了在介質(zhì)界面處能夠觀察到光的量子自旋霍爾效應(yīng)，也可以通過引入強(qiáng)烈的光與物質(zhì)相互作用來實(shí)現(xiàn)光的自旋態(tài)之間在材料中的相互耦合。在傳統(tǒng)的光學(xué)材料中，光的自旋與軌道耦合的作用非常微弱，難以觀察測量。如何加強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用一直是一個(gè)至關(guān)重要的課題，但隨著超構(gòu)材料的發(fā)展，這些問題逐漸得到有效解決。超構(gòu)材料本身由深亞波長尺度的人工微結(jié)構(gòu)單元組成，這些組成單元對于電磁波有著很強(qiáng)的局域響應(yīng)，能夠極大地増強(qiáng)光與物質(zhì)之間的相互作用。利用這些常規(guī)自然材料所不具備的光學(xué)性能可實(shí)現(xiàn)各種具有奇異性能的光學(xué)器件，諸如負(fù)折射、 超棱鏡以及光學(xué)隱身等。事實(shí)上，利用超構(gòu)材料這一很好的光學(xué)平臺(tái)可從實(shí)驗(yàn)上直接觀察光的量子自旋霍爾效應(yīng)。 

拓?fù)潆娐分械牧孔幼孕�霍爾效�?yīng)

在超構(gòu)材料里光與物質(zhì)的相互作用中，除了深亞波長的人工微結(jié)構(gòu)對光的調(diào)控響應(yīng)外，來自超構(gòu)材科中晶格作用本身的耦合作用也不可忽視，尤其在一些具有強(qiáng)烈自旋 － 軌道相互作用的材料中，光的量子自旋霍爾效應(yīng)非常明顯，對于這一類材料的研究促進(jìn)了一門新興的材料研究分支：光子拓?fù)浣^緣體。不同于自由空間中的光量子霍爾效應(yīng)，來自晶格作用產(chǎn)生的光量 子自旋霍爾效應(yīng)雖然所有能帶的總chern數(shù)仍為零,但在某一支體能帶上的chern 數(shù)不為零，這表明材料具有拓?fù)浞瞧椒驳膸�隙，與不同拓?fù)湫再|(zhì)的材料的接觸處會(huì)發(fā)生拓?fù)湎嘧儾⒕哂惺芡負(fù)浔Ｗo(hù)的單向邊緣態(tài)，兩個(gè)自旋態(tài)是相互分立的。