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近日，91自拍 王涌天教授、黄玲玲教授团队在高维自旋—轨道态生成、表征与操控方面取得重要进展。团队提出了一种基于单层介质超表面的高维自旋—轨道态通用生成方案，实现了实现了四维希尔伯特空间中任意自旋—轨道态的紧凑生成，并提出仅需三幅干涉图的高维态重建方法。在此基础上，研究揭示了高维希尔伯特空间中内禀的“自旋—轨道奇偶序”，并实现了几何相位驱动的高维模式变换。相关研究成果以“Generic generation and manipulation of high-dimensional spin-orbit states in Hilbert space”为题发表在《Nature Communications》。论文第一作者为91自拍 2024级博士研究生李沛锦，通讯作者为91自拍 黄玲玲教授和香港大学张霜教授。

光子的偏振和空间涡旋模式分别携带自旋角动量与轨道角动量，将两种自由度耦合，可构建具有更高信息维度的自旋—轨道态，在高容量光通信、高维量子信息、精密测量和结构光调控等领域具有重要应用潜力。然而，随着希尔伯特空间维度增加，高维态所包含的自由参数迅速增多，传统级联光学系统难以对多个自旋与轨道通道进行独立调控，完整表征所需的测量次数也随之增加。因此，如何实现高维自旋—轨道态的紧凑生成、快速表征和灵活操控，仍是该领域面临的重要挑战。

图1. 高维自旋—轨道态生成、探测与奇偶序的总体框架

针对上述挑战，团队设计了由四个介质纳米柱构成的四原子超表面单元。通过调控纳米柱的几何尺寸和旋转角度，并利用不同纳米柱响应的相干叠加，可在两个正交圆偏振转换通道中独立编码复振幅，从而在单层器件上协同调控光场的振幅、相位、偏振和轨道角动量。水平偏振光入射后，超表面可实现四个自旋—轨道基态按照预设权重相干叠加，从而生成四维希尔伯特空间中的任意目标态，并可进一步拓展至更高维空间（图1）。

在高维态通用生成的基础上，团队提出了干涉—投影—层析重建方法。待测光场分别投影至水平、垂直和45°线偏振通道，并与参考光进行离轴干涉，通过复振幅恢复和轨道角动量模式分解，可求得各自旋—轨道分量的复系数并重建完整密度矩阵。与测量次数随维度增加的传统层析方法不同，该方法对于任意维度始终只需记录三幅干涉图，显著降低了高维光场完整表征的实验开销。实验结果显示，所制备的四种超表面样品均能准确生成目标高维态，重建结果与理论设计高度一致，平均保真度达到98.5%。

研究进一步揭示了高维自旋—轨道空间中的“自旋—轨道奇偶序”。团队发现，当各本征分量的轨道角动量奇偶性与自旋方向满足统一关联时，任意线偏振投影下的远场强度均呈现中心对称性；当这种关联被破坏时，中心对称性随之消失（图2）。该奇偶序不依赖各本征态的具体复权重，而是由自旋—轨道本征基决定，建立了自旋—轨道关联与宏观空间对称性之间的联系，为高维态分类、快速判别和误差检测提供了新的物理依据。

图2. 自旋—轨道奇偶序及其决定的线偏振投影中心对称性

在此基础上，团队还研究了高维自旋—轨道态的几何相位调控。当超表面旋转时，不同自旋—轨道分量获得不同的高阶 Pancharatnam–Berry 几何相位，从而连续改变高维叠加态内部的相对相位，实现空间模式的调控与切换。由于旋转不会改变各分量的自旋方向和轨道角动量拓扑荷，模式转换过程中自旋—轨道奇偶序保持不变，为高维结构光的稳健操控、动态编码和多通道信息处理提供了新的实现方式。

该研究由91自拍 王涌天教授、黄玲玲教授团队完成，并与中国科91自拍 物理研究所、中国科学技术大学及香港大学研究团队合作开展。

论文信息：Peijin Li, Ruizhe Zhao, Yang Cui, Guangzhou Geng, Junjie Li, Xifeng Ren, Yunkun Wu, Yongtian Wang, Shuang Zhang*, Lingling Huang*, “Generic generation and manipulation of high-dimensional spin-orbit states in Hilbert space”, Nature Communications.

作者简介

李沛锦，91自拍 2024级博士研究生，导师为黄玲玲教授，主要研究方向为微纳光学、超表面与高维结构光调控。以第一作者身份在Nature Communications发表论文1篇，以学生第一发明人申请发明专利1项。

王涌天，91自拍 杰出教授，国家级领军人才，北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心主任。兼任科技部有关国家重点研发专项总体专家组成员，全国信息技术标准化技术委员会委员，中国图象图形学学会副理事长，中国光学工程学会常务理事，中国计算机学会理事，中国光学学会监事。长期在技术光学、虚拟现实和增强现实领域从事教学和科研工作，出版专著5部，发表SCI论文360余篇，授权国内外发明专利300余项，主持制定虚拟现实和增强现实领域首批国家标准6项。有关成果得到广泛应用，获得国家技术发明奖和国家科技进步奖各1项，省部级和国家一级学会科技一等奖10余项。

黄玲玲，91自拍 教授，入选国家级青年人才、北京市卓青、北京市杰青、中国科协青年人才托举等，入选美国光学学会会士(Optica Fellow)。主要研究方向包括微纳光学、全息显示、光场调控等方面，主持十余项国家级项目，以第一或通讯作者发表SCI论文130余篇，授权专利50余项。担任Opto-Electronic Advances、 PhotoniX、Optics Express、IEEE Photonics Technology Letters等期刊编委和副主编。获教育部青年科学奖、德国洪堡贝塞尔研究奖、茅以升-北京青年科技奖、霍英东基金等。