Fotonisk spin Hall-effekt:Grundlæggende og nye applikationer

Når en stråle reflekteres (eller brydes) ved optisk grænseflade eller udbreder sig gennem et inhomogent medium, vil fotoner med modsat spin-vinkelmomenter adskilles med hinanden, hvilket resulterer i en spin-afhængig spaltning af lys, og dette fænomen kaldes det fotoniske spin Hall effekt (HUN). Den fotoniske SHE er en fundamental fysisk effekt, der stammer fra lysets spin-kredsløbsinteraktion. Det kan betragtes som en analog af spin Hall-effekten i elektroniske systemer:de højrehåndede og venstrehåndede cirkulære polarisationskomponenter af lys spiller rollen som henholdsvis spin-up og spin-down elektroner, og brydningsindeksgradienten spiller potentialegradientens rolle. De unikke fysiske egenskaber ved fotonisk SHE og dens kraftfulde evne til at manipulere fotoner har gjort det til et hot spot i moderne optik, med brede anvendelsesmuligheder inden for præcis metrologi, analog optisk behandling, kvantebilleddannelse og mikroskopibilleddannelse. For nylig er forskningsgruppen af ​​professorer Hailu Luo/Shuangchun Wen fra Hunan University i Kina blevet inviteret til at gennemgå de grundlæggende principper og nye anvendelser af fotonisk SHE. Fra perspektivet af spin-orbit interaktion understøttet af geometriske faser, beskrev de de grundlæggende koncepter og de seneste fremskridt inden for fotonisk SHE systematisk og fremhævede dets vigtige anvendelser inden for fysisk parametermåling, analog optisk databehandling og helt optisk billedkantdetektion.

Forskergruppen af ​​professorer Hailu Luo/Shuangchun Wen har været engageret i spin-fotonik i årevis. Det er et af de tidligste hold i verden til at udføre præcisionsmetrologien af ​​fysiske parametre og den analoge optiske databehandling baseret på den fotoniske SHE.

Nøjagtig metrologi af fysiske parametre

Den fotoniske SHE er en svag effekt, der producerer spin-afhængige skift, normalt kun af størrelsesordenen subbølgelængde. Den svage værdiforstærkningsmekanisme af kvantesvage målinger giver en mulig måde at forstærke og måle dette lille skift præcist. I mellemtiden, på grund af den høje følsomhed af den fotoniske SHE over for optiske koefficienter, kan den bruges som en sonde af svagt målesystem til præcisionsmetrologi af fysiske parametre. Den tilsvarende målenøjagtighed kan forbedres med to størrelsesordener højere end de konventionelle metoder i eksisterende eksperimentelle målinger af todimensionelle atomkrystaller, såsom bestemmelse af ledningsevnen af ​​grafen [Fig. 1(a)] og undersøger den optiske model af grafen [Fig. 1(b)]. Desuden er spin Hall-skiftet tæt forbundet med den optiske aktivitet af kemiske opløsninger eller biomolekyler, så det kan også bruges som et præcist værktøj til at udvikle ultrafølsomme sensing-applikationer.

Analog optisk databehandling og billedkantdetektering

Den analoge optiske databehandling tager lys som bærer til at realisere informationsbehandling ved at bruge ændringen af ​​fotoner i stråleudbredelsen, som har en iboende parallel karakter til højhastigheds- og storskaladrift og dermed viser overlegen integrationsevne sammenlignet med de traditionelle digitale processer. Optisk kantdetektion, en vigtig applikationsgren inden for analog optisk databehandling, genopretter vigtige geometriske funktioner ved at reducere mængden af ​​data, der skal behandles, og udtrække meningsfuld information i billedet. Baseret på den fotoniske SHE ved computermetasurfaces kan multifunktionel bredbåndsbilledkantdetektion med justerbar opløsning realiseres efter førsteordens rumlig differentiering (fig. 2).

Ud over klassiske lyskilder spiller spin-orbit-interaktionen af ​​kvantelyskilder også en vigtig rolle i billedkantdetektion. Som vist i fig. 3 kan forskellige billeddannelsesresultater opnås ved at fjernskifte polarisationstilstanden af ​​fotonerne (brugt til udløsning) i det sammenfiltrede fotonpar, hvilket således muliggør fjernskiftning af billeddannelse i både regulær og kantdetektionstilstande. Sammenlignet med detektionen i klassisk optik, udviser kvantekantdetektion og billedbehandling baseret på sammenfiltrede fotoner højere støj-signalforhold ved samme fotonfluxniveau. Udviklingen af ​​analog optisk databehandling baseret på den fotoniske SHE til at realisere al-optisk billedbehandling, har også vigtige anvendelsesmuligheder inden for mikroskopibilleddannelse, kvantebilleddannelse, kunstig intelligens osv.

Forskningen i den fotoniske SHE giver en enestående grad af frihed til manipulation af fotoner, for at drive udviklingen af ​​spin Hall-enheder, kan endda fremme dannelsen af ​​en emergent disciplin kaldet spin-fotonik. + Udforsk yderligere

Forskere finder det manglende fotoniske link for at muliggøre et kvanteinternet bestående af silicium