光子自旋霍爾效果（SHE）的研究

當(dāng)光束在光學(xué)界面被反射（或折射）或在非均勻介質(zhì)中傳播時(shí)，具有相反自旋角動(dòng)量的光子將相互分離，導(dǎo)致光的自旋相關(guān)分裂，這種現(xiàn)象稱為光子自旋霍爾效果（SHE）。光子SHE是一種基本的物理效應(yīng)，它源于光的自旋-軌道相互作用。它可以看作是電子系統(tǒng)中的自旋霍爾效應(yīng)的類比：光的右旋和左旋圓偏振分量分別扮演自旋上電子和自旋下電子的角色，折射率梯度扮演電位梯度的角色。光子SHE獨(dú)特的物理特性及其對光子的強(qiáng)大操縱能力使其成為現(xiàn)代光學(xué)研究的熱點(diǎn)，在精密計(jì)量、模擬光學(xué)處理、量子成像和顯微成像等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

物理參數(shù)的精密計(jì)量

光子的SHE效應(yīng)是一種微弱的效應(yīng)，它產(chǎn)生的自旋相關(guān)位移通常只有亞波長的量級。量子弱測量的弱值放大機(jī)制為精確放大和測量這種微小位移提供了一種可行的方法。同時(shí)，由于光子SHE對光學(xué)系數(shù)的高靈敏度，它可以作為弱測量系統(tǒng)的探針，用于物理參數(shù)的精密測量。在現(xiàn)有的二維原子晶體的實(shí)驗(yàn)測量中，如測定石墨烯的電導(dǎo)率[圖1(a)]和檢查石墨烯的光學(xué)模型[圖1(b)]，其測量精度可以比傳統(tǒng)方法提高兩個(gè)數(shù)量級。此外，自旋霍爾位移與化學(xué)溶液或生物分子的光學(xué)活性密切相關(guān)，因此它也可以作為一種精密的工具來開發(fā)超靈敏的傳感應(yīng)用。

模擬光學(xué)計(jì)算和圖像邊緣檢測

模擬光學(xué)計(jì)算以光為載體，利用光束傳播中光子的變化來實(shí)現(xiàn)信息處理，具有高速、大規(guī)模運(yùn)算固有的并行性，因此與傳統(tǒng)的數(shù)字處理相比具有優(yōu)越的集成能力。光學(xué)邊緣檢測是模擬光學(xué)計(jì)算的一個(gè)重要應(yīng)用分支，它通過減少需要處理的數(shù)據(jù)量來提取圖像中有意義的信息，從而保留重要的幾何特征。基于計(jì)算超表面的光子SHE，經(jīng)過一階空間微分，可實(shí)現(xiàn)分辨率可調(diào)的多功能寬帶圖像邊緣檢測(下圖)。

除了經(jīng)典光源外，量子光源的自旋-軌道相互作用在圖像邊緣檢測中也發(fā)揮著重要作用。如下圖所示，通過遠(yuǎn)程切換糾纏光子對中用于觸發(fā)的光子偏振狀態(tài)，可以獲得不同的成像結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)則模式和邊緣檢測模式的成像遠(yuǎn)程切換。與經(jīng)典光學(xué)檢測相比，在相同的光子通量水平上，基于糾纏光子的量子邊緣檢測和圖像處理表現(xiàn)出更高的信噪比。基于光子SHE的模擬光學(xué)計(jì)算發(fā)展，實(shí)現(xiàn)全光學(xué)圖像處理，在顯微成像、量子成像、人工智能等領(lǐng)域也具有重要的應(yīng)用前景。

光子SHE的研究為光子的操縱提供了獨(dú)特的自由度，推動(dòng)了自旋霍爾器件的發(fā)展，甚至可以促進(jìn)一門新興學(xué)科——自旋光子學(xué)的形成。

審核編輯：劉清