什么是量子自旋霍尔效应？

“量子自旋霍尔效应”是指找到了电子自转方向与电流方向之间的规律，利用这个规律可以使电子以新的姿势非常有序地“舞蹈”，从而使能量耗散很低。

在特定的量子阱中，在无外磁场的条件下（即保持时间反演对称性的条件下），特定材料制成的绝缘体的表面会产生特殊的边缘态，使得该绝缘体的边缘可以导电，并且这种边缘态电流的方向与电子的自旋方向完全相关，即量子自旋霍尔效应。

超构材料中的光学量子自旋霍尔效应

电子的量子自旋霍尔效应的发现推进了凝聚态物理学的发展，它是 一种电子自旋依赖的具有量子行为的输运效应 。大量的理论和实验研究表明，描述电磁波场运动规律的麦克斯韦方程组内禀了光的量子自 旋霍尔效应，存在于界面的倏逝波表现出强烈的自旋与动量关联性。得益于新兴的光学材料：超构材料 （metamaterials ） 的发展，不仅能够任意设定光学参数，同时也能引入很多复杂的自旋 － 轨道藕合机理，能够更加清晰地了解和验证其中的物理机理。对超构材料中量子自旋霍尔效应做了简要的介绍，内容主要包括真空中光的量子自旋霍尔效应的物理本质、电单负和磁单负超构材料能带反转导致的不同拓扑相 的界面态、拓扑电路系统中光量子自旋霍尔效应等。 

自由空间中光子的拓扑性质

众所周知，光子的传播行为主要由麦克斯韦方程组进行描述。麦克斯韦方程组基本描述了光从经典电磁波到量子体系相对论范畴内的所有性质。光子本身是自旋为1的粒子，本身的传播行为便具有内禀的自旋 － 轨道耦合效应，具有一系列的量子行为，如 Berry 相位，这些量子行为是光具有量子自旋霍尔效应的基石。

所熟知的界面传播模式便是表面等离子体激元 （ surface plasmon polaritons，SPP）。相比于真空中传播的光，SPP 的传播模式是横截面处为倏逝场的表面模，大量研究发现横向倏逝波这种传播模式具有额外的自旋动量，而且该动量正交于其传播波矢，这个额外的自旋动量来源于不同自旋拓扑介质在界面处的拓扑相变，这个拓扑相变引起可观察的非平凡的光量子自旋霍尔效应。 

除了在介质界面处能够观察到光的量子自旋霍尔效应，也可以通过引入强烈的光与物质相互作用来实现光的自旋态之间在材料中的相互耦合。在传统的光学材料中，光的自旋与轨道耦合的作用非常微弱，难以观察测量。如何加强光与物质之间的相互作用一直是一个至关重要的课题，但随着超构材料的发展，这些问题逐渐得到有效解决。超构材料本身由深亚波长尺度的人工微结构单元组成，这些组成单元对于电磁波有着很强的局域响应，能够极大地増强光与物质之间的相互作用。利用这些常规自然材料所不具备的光学性能可实现各种具有奇异性能的光学器件，诸如负折射、 超棱镜以及光学隐身等。事实上，利用超构材料这一很好的光学平台可从实验上直接观察光的量子自旋霍尔效应。 

拓扑电路中的量子自旋霍尔效应

在超构材料里光与物质的相互作用中，除了深亚波长的人工微结构对光的调控响应外，来自超构材科中晶格作用本身的耦合作用也不可忽视，尤其在一些具有强烈自旋 － 轨道相互作用的材料中，光的量子自旋霍尔效应非常明显，对于这一类材料的研究促进了一门新兴的材料研究分支：光子拓扑绝缘体。不同于自由空间中的光量子霍尔效应，来自晶格作用产生的光量 子自旋霍尔效应虽然所有能带的总chern数仍为零,但在某一支体能带上的chern 数不为零，这表明材料具有拓扑非平凡的带隙，与不同拓扑性质的材料的接触处会发生拓扑相变并具有受拓扑保护的单向边缘态，两个自旋态是相互分立的。