在波导和表面波体系中，电磁场通常具有横向自旋，并与传播方向存在固定关系，这一现象被称为自旋–动量锁定（spin–momentum locking）。这一效应使得光与物质的相互作用具有方向选择性，但在传统正折射率材料中，当能流方向固定时，电磁波的横向自旋取向也随之被唯一确定，因此调控自由度仍然有限。一个自然的问题是：是否有办法在保持能流方向不变的情况下，也能调控电磁波横向自旋的取向？ 

针对这一问题，浙江大学物理学院光磁耦合研究团队提出并实验实现了一种新的物理机制——自旋–折射率锁定（spin-refractive-index locking，SRIL）。这一机制表明，在保持能流方向不变的情况下，电磁波横向自旋的取向可以由介质有效折射率的符号决定。基于这一机制，研究人员实现了光子与磁振子的可控手性耦合，并进一步构建了一种能够按频率自动分流信号的微波路由器件，可形象地称为频分微波漏斗（frequency-division microwave funnel）。不同频率的信号从同一端口输入后，会被自动引导到不同输出端口。可以设想为生活中一种神奇的漏斗，它能够像筛选油水混合物一样，将不同成分自动分离，并分别流入不同的容器。

图1. 自旋-折射率锁定与光子-磁振子手性耦合

如图1所示，在传统的自旋–动量锁定机制中，电磁波的横向自旋与传播动量方向一一对应。因此，在正折射率体系中，当能流方向固定时，横向自旋的取向也被唯一确定。与此不同，自旋–折射率锁定机制表明，在保持能流方向不变的情况下，横向自旋的取向可以由介质有效折射率的符号决定。当系统从正折射率频带进入负折射率频带时，能流方向保持不变，但动量方向发生反转，从而导致横向自旋方向随之翻转。由于磁振子只会与自旋方向匹配的微波场发生耦合，这一机制使得在不同折射率符号的频带中，磁振子能够耦合的电磁波传播方向发生改变，从而形成折射率选性的光子–磁振子手性耦合。

为在实验中实现这一机制，研究团队设计并构建了一种复合左/右手传输线超材料波导（图2a、2b）。测量结果表明，在较低频率通带中系统处于左手传播模式，对应负折射率；在较高频率通带中则进入右手传播模式，对应正折射率。当系统跨越切换频率时，传播常数符号发生改变，有效折射率也随之由负转正。

图2. 复合左/右手传输线超材料中的色散、场分布与自旋角动量密度

进一步的电磁场分析表明，波导边缘存在具有横向自旋的倏逝电磁模式，并在传输线两侧形成相反旋向的自旋态（图2e）。实验与模拟结果显示，在正折射率区域中，横向自旋随传播方向翻转，符合传统的自旋–动量锁定规律；在接近零折射率的过渡区域，横向自旋明显减弱；而在负折射率区域中，对于相同能流方向，横向自旋的符号相对于正折射率区域发生反转（图2f）。这一结果表明，在固定能流方向下，横向自旋的取向由有效折射率符号决定，从而验证了自旋–折射率锁定效应。

基于这一机制，研究团队进一步构建了YIG与复合左右手传输线耦合系统（图3）。实验中，一个直径约1 mm的YIG小球被放置在传输线边缘，并施加沿z方向的静态偏置磁场。实验结果表明，在负折射率频带中，仅有一个传播方向的信号能够与磁振子发生耦合并产生明显吸收，而另一方向几乎不受影响；当系统进入正折射率频带后，耦合方向发生完全翻转。通过连续扫描外加磁场，研究人员获得了整个通带范围内的非互易响应：在负折射率频带中磁振子主要耦合右向传播通道，而在正折射率频带中则转而耦合左向传播通道（图3d、3e）。这些结果表明，在固定能流方向下，光子与磁振子的耦合方向由折射率符号决定，从而将自旋–折射率锁定直接体现为光子–磁振子之间频率调控的手性耦合。

图3. 频率选择性的光子与磁振子的手性耦合

  图4. 频分信号路由与环行器功能

基于自旋-折射率锁定效应，研究团队进一步实现了微波信号的频分路由和频分漏斗功能。在三端口复合左右手传输线–YIG器件中，在端口3通过天线激发磁振子（图4a）。当工作频率位于约4.9 GHz 的左手频带（n<0）时，信号在三个端口之间形成 1→3→2→1 的循环路径；当频率调至约8.65 GHz 的右手频带（n>0）时，信号传播方向整体反转，在端口之间形成 1→2→3→1 的循环路径。由此，通过改变工作频率即可切换信号在不同端口之间的传播路径，实现基于自旋–折射率锁定机制的频分信号路由。关注来自3端口的传输信号，高频和低频信号可分别被分发到1或者2端口，实现频分微波漏斗功能。

该研究首次实验验证了自旋与折射率锁定效应，并展示了其在光子与磁振子的可控手性耦合、微波频分路由和频分漏斗中的应用潜力。这一工作为发展新型片上非互易器件、可重构微波器件以及自旋选择性光与物质相互作用研究提供了新的物理机制和实现路径。

相关研究成果以“Frequency-division routing via spin–refractive-index locking” 为题发表于《Nature Communications》。浙江大学物理学院博士生彭远鹏为论文第一作者。浙江大学物理学院王逸璞研究员和游建强教授为论文通讯作者，朱诗尧院士参与并指导了该研究。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、量子科技创新计划以及中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-70460-w