Topological control of chirality and spin with structured light

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作者
Light Mkhumbuza,Pedro Ornelas,Angela Dudley,Isaac Nape,Kayn A. Forbes
出处
期刊:Light-Science & Applications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41377-026-02278-6
摘要

Structured light beams with engineered topological properties offer a powerful means to control spin angular momentum (SAM) and optical chirality, key quantities shaped by spin-orbit interaction (SOI) in light. Such effects are commonly associated with non-paraxial focusing or light-matter interfaces. Here, we demonstrate that higher-order Poincaré modes carrying a tunable Pancharatnam topological charge ℓp enable deterministic control of SOI entirely in free space and within the paraxial regime. We show that modulation of ℓp drives a measurable radial separation of circular polarization components - a free-space optical Hall effect arising from propagation-induced mechanisms alone. The effect originates from differential Gouy-phase evolution and radial divergence between the two circular components of an initially spin-balanced vector beam. This identifies ℓp as a single, tunable parameter linking Pancharatnam topology to paraxial spin-orbit coupling, establishing a simple and material-independent route to generate and control optical chirality and SAM. This approach provides new opportunities for tunable optical manipulation, chiral sensing, and high-dimensional photonic information processing.
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