实验室动态信息

周新星，湖南师范大学教授，主要研究领域：自旋光子学、光学精密测量与传感，在Laser & Photonics Reviews、Reports on Progress in Physics、Optica 等期刊上发表论文80余篇，被引用4200余次（Web of Science），H因子32，担任Nature Communications、Physical Review Letters 等40余种学术期刊的审稿人。主持国家自然科学基金面上/青年项目、长沙市杰青项目，作为团队成员参与国家自然科学基金创新研究群体项目。获2021年教育部自然科学二等奖（第三完成人），于2021-2023年连续3次入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”，被期刊Journal of Physics D: Applied Physics 编委会提名为2021年“Emerging Leaders”。担任期刊IEEE Photonics Journal 副主编、Frontiers of Physics 青年编委、The Innovation青年编委、《激光与光电子学进展》青年编委、《红外与激光工程》青年编委、湖南省光学学会副秘书长、中国激光杂志社长沙分社副社长，担任武汉光博会《智能光子技术研讨会》共主席/组织委员、中国激光杂志社光学青年科学家学术年会《专题二：光场调控》共主席。

电子的霍尔效应与自旋霍尔效应相关研究曾多次获得诺贝尔物理学奖，如：1985年的量子霍尔效应、1998年的分数量子霍尔效应以及2007年的巨磁电阻效应，足以证明该研究领域的重要性与开拓性。最近研究发现，光子也具有自旋的自由度，其也会产生类似的光子自旋霍尔效应：当线偏振光束在光学界面发生反射与折射时，其左旋与右旋圆偏振光分量会发生垂直于入射面或入射面内的自旋相关的分裂现象，从而产生微小的自旋位移。光子自旋霍尔效应为光信号处理和光学操控提供了新的自由度“自旋”且对于不同物理体系中物理参数的变化非常敏感，其在微纳光子学器件、精密测量与传感、量子信息处理等领域具有潜在的应用价值。近年来，光子自旋霍尔效应获得了研究者们的极大关注，并在不同的物理系统中得到了广泛研究，逐渐衍生出一门类似于自旋电子学的新学科：自旋光子学。

湖南师范大学周新星教授自博士阶段开始便坚守在自旋光子学领域，他致力于自旋光子学理论、实验及应用研究，主要探索光子自旋霍尔效应的有效调控、精密测量与传感。下面我们一起来听听有关他的光学故事。

我本科毕业于湖南师范大学，随后考取了湖南大学的研究生，在此有幸遇见了我研究生阶段的第一位恩师：文双春教授。文老师学识渊博，治学严谨，对待科研总是充满激情，对学术方向的把握具有独到的见解。至今仍然记得文老师常说的一句话：Many things from one，告诫我们做科研一定要有始有终，专注于某一领域，才能取得最后的成功。这对我后续的科研生涯产生了深远的影响。我的另一位恩师是罗海陆教授。罗老师不仅年轻有为，更是手把手亲自指导我，大到科研思路的把握，小到论文标点符号的修改，无不倾注着他的心血。正是与罗老师的相识，才开启了我在自旋光子学领域的新篇章。

那时的罗老师刚加入湖南大学不久，在光子自旋霍尔效应理论计算方面进行了一些初步探索，并较早提出了左手超材料中反常的光子自旋位移。但理论总需要实验的验证，罗老的课题组当时已经准备开始实验上的探索，而我正好接下了这份机遇。第一次尝试搭建光学实验平台是痛苦的，后续进行光学测试更是不易，整个过程大概花费了近一年的时间。依稀记得当年进行光子自旋霍尔效应实验测量时，为了尽可能降低外界环境干扰，我们选择在凌晨进行实验。罗老师总是陪我一起泡在实验室，累了就睡在办公室的沙发上，这样的时间大约持续了半年，实验终于有了起色。我们建立了布儒斯特角附近的光子自旋霍尔效应完备理论，解决了传统理论的局限性问题，并利用弱测量实验进行了验证 [Physical Review A 84, 043806 (2011)]。这是罗老师课题组在实验方面的第一件工作，而我有幸参与其中，具有重要的意义。

后续我们再接再厉，将光子自旋霍尔效应拓展到了精密测量领域，利用其精确测量了纳米金属薄膜的厚度以及少数层石墨烯材料的层数 [Physical Review A 85, 043809 (2012); Applied Physics Letters 101, 251602 (2012)]。这应该是国际上较早提出利用光子自旋霍尔效应进行精密测量的两篇论文，目前在Web of Science上的总引用分中别是275次和325次。我们的文章发表后，受到了国内外同行的广泛关注。其中，自旋光子学领域的领军人物K. Y. Bliokh以及英国皇家物理学会会士A. V. Zayats（也是Advanced Photonics期刊的共主编）等人发表在Nature Photonics [Nature Photonics 9, 796 (2015)] 的综述论文把我们的工作作为光子自旋霍尔效应精密测量技术的唯一代表性工作加以介绍。Lamb奖得主、国际著名非线性光学专家R. W. Boyd教授发表在Reviews of Modern Physics [Reviews of Modern Physics 86, 307 (2014)] 的综述论文把我们的工作作为“对未知的微小参数实现灵敏测量”的代表性工作加以介绍。

在两位恩师的指导与帮助下，我的博士阶段过得非常顺利，在本领域内的权威期刊上发表了多篇论文，并获得了多项国家级、校级奖学金，不用为生计发愁。现在回想起来，两位导师更多地是指引我领悟到了科研的乐趣，锻炼了自己的独立思考与科研工作能力。毕业后我在湖南师范大学建立了独立的课题组，也指导了多届研究生，我总会将博士阶段的所学所感传授给自己的学生，让他们在不断积累中成长。特别值得一提的是，我指导的第一位研究生于去年博士毕业后加入了一所省属本科院校，今年顺利获得了国家自然科学基金青年项目的资助。正是受文老师和罗老师的长远影响，我博士毕业后也一直坚守在自旋光子学领域，并在光子自旋霍尔效应的调控方法、精密测量与传感方面进行不断深入的研究。

在博士生阶段，我和导师利用光子自旋霍尔效应对于结构参数变化灵敏的特性，将其引入到了精密测量领域，并精确测量了纳米金属薄膜的厚度以及石墨烯的层数。博士毕业后，我继续在该领域进行探索，将光子自旋霍尔效应拓展到传感领域，从理论上提出了基于光子自旋霍尔效应的高灵敏度光学传感器新方法 [Scientific Reports 8, 1221 (2018), 引用141次]，其传感灵敏度理论极限可以达到10^-8 RIU量级。该技术具有灵敏度高、对样品无损害、成本低等优势，其在生物分子浓度探测以及病毒载量检测领域具有巨大的应用潜力。基于光子自旋霍尔效应的优良传感特性，我们还利用以上技术精密测量了手性钙钛矿材料中的微弱手征性号以及探究了等效介质理论在全内反射角附近的适用性问题 [Nanophotonics 11, 4245 (2022); Science China Physics, Mechanics & Astronomy 66, 114212 (2023)]。基于在光子自旋霍尔效应精密测量领域所取得的创新性成果，导师的团队获得了2021年高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖，我为第三完成人：该奖项共选取了5篇代表作，其中有3篇是我作为第一作者的论文。

周新星教授获得高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）

光子自旋霍尔效应为操控光提供了新的自由度“自旋”，其在微纳光子学、量子信息处理等领域具有潜在的应用价值。因此，人们需要找到有效的方法来实现光子自旋霍尔效应的增强与调控。基于光学损耗会削减光的自旋-轨道相互作用效率问题，我与新加坡南洋理工大学孙汉东教授、浙江大学林晓教授进行合作，从理论上提出利用宇称-时间对称系统中的二阶光学奇异点来增强与调控光子自旋霍尔效应 [Physical Review B 100, 115429 (2019), 引用63次]。该方法可以实现高损耗系统中光子自旋霍尔效应的有效操控，并拓展了其实际应用。我曾在孙老师的实验室从事了为期两年的博士后研究工作，孙老师对我十分关照与提携。孙老师是一位非常严谨的学者，对课题组每一位成员的要求都非常严格，尤其是一周一次的组会，如果态度不端正，就会受到严厉的“批评”。因此，我往往会提前一周准备组会的内容，力争呈现出最好的状态。这段宝贵经历对于我后期学术水平的提升起到了非常关键的促进作用，让我一生受益匪浅。

在人们的常规认识中，光子自旋霍尔效应中的自旋分裂通常不为零且与入射光的偏振态相关。但我的课题组发现一类奇异的光子自旋霍尔效应：当光学界面的菲涅尔系数满足特定关系时，折射光中的自旋分裂恒定为零且与入射光偏振无关，反射光中的自旋分裂也与入射光偏振无关 [Laser & Photonics Reviews 17, 2200534 (2023) , 引用20次]。同时，我们进一步发现可以通过构建手性光学界面来获得该奇异的光子自旋霍尔效应，并提出了一种实验上的可行结构（石墨烯/电介质异质结）来实现该物理现象。研究成果为抑制光束传播过程中的自旋-轨道相互作用提供了一种有效手段，在全光自旋开关、偏振无关光学器件等领域具有潜在的应用价值。

基于以上代表性成果，我的课题组于去年受邀请在国际期刊Progress in Quantum Electronics上发表了题为“Photonic spin Hall effect: Physics, manipulations, and applications”的综述论文 [Progress in Quantum Electronics 91 100484 (2023)]，对光子自旋霍尔效应的物理机制、操控方法等方面进行了详细综述。

早在研究生阶段，我就在中文核心期刊《光学学报》上合作发表了几篇论文。那时对该期刊的印象是：编辑要求严格，但文章处理速度较快。我还清楚地记得当时有一位研一的师弟发表了一篇《光学学报》，顺利拿到硕士研究生国家奖学金，足可见其影响力。毕业后我又进一步了解了中国激光杂社的多本中英文期刊，这些经典期刊已经逐渐融入到了科研人员的日常工作中。2023年，在清华大学曹良才教授的引荐下，我加入了中国激光杂志社青年编辑委员会，并担任中文核心期刊《激光与光电子学进展》的青年编委。今年我的课题组还受邀请在上面发表了一篇研究论文，探讨了光学奇异点附近的交叉偏振效应。同时，我也一直为该期刊积极审稿、约稿，并在学术会议上进行宣传。

中国激光杂志社还举办了许多有影响力的光学学术会议，如：中国光学十大进展高峰论坛、International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP)、光学青年科学家学术年会等，是绝大多数光学与光子学领域学者都会参加的学术盛宴。我非常荣幸参与到了一些学术会议的组织工作中，如：担任2023年~2024年武汉光博会《智能光子技术研讨会》共主席/组织委员、2023年~2024年光学青年科学家学术年会《专题二：光场调控》共主席，整个过程非常享受，大大开阔了眼界。我相信在广大光学圈学者的大力支持下，中国激光杂志社会越来越好，相应的期刊也会越办越好：“一个人可以走得快，但一群人可以走得更远”。

近2年代表性论文：

5. Z. Lai, S. Lin, Y. Shi, M. Li, G. Liu, B. Tian, Y. Chen*, and X. Zhou*, “Experimental demonstration of weak chirality enhancement by hybrid perovskite nanocrystals using photonic spin Hall effect,” Nanophotonics 11, 4245 (2022).