När en stråle reflekteras (eller bryts) vid optisk gränsyta eller fortplantar sig genom ett inhomogent medium, kommer fotoner med motsatt spinnvinkelmoment att separeras med varandra, vilket resulterar i en spinnberoende splittring av ljus, och detta fenomen kallas fotonisk spin Hall effekt (SHE). Den fotoniska SHE är en grundläggande fysisk effekt som härrör från spin-omloppsinteraktionen av ljus. Det kan betraktas som en analog av spin Hall-effekten i elektroniska system:ljusets högerhänta och vänsterhänta cirkulära polarisationskomponenter spelar rollen som spin-up respektive spin-down elektroner, och brytningsindexgradienten spelar. potentialgradientens roll. De unika fysikaliska egenskaperna hos fotonisk SHE och dess kraftfulla förmåga att manipulera fotoner har gjort den till en het punkt i modern optik, med breda tillämpningsmöjligheter inom exakt metrologi, analog optisk bearbetning, kvantavbildning och mikroskopi. Nyligen har forskargruppen av professorer Hailu Luo/Shuangchun Wen från Hunan University i Kina bjudits in för att granska grunderna och framväxande tillämpningar av fotonisk SHE. Ur perspektivet av spin-omloppsinteraktion underbyggd av geometriska faser, beskrev de de grundläggande koncepten och de senaste framstegen inom fotonisk SHE systematiskt, och lyfte fram dess viktiga tillämpningar inom fysisk parametermätning, analog optisk beräkning och helt optisk bildkantdetektering.

Forskargruppen av professorer Hailu Luo/Shuangchun Wen har varit engagerad i spinnfotonik i flera år. Det är ett av de tidigaste teamen i världen som har utfört precisionsmätningen av fysiska parametrar och den analoga optiska beräkningen baserad på den fotoniska SHE.

Precisionsmätning av fysiska parametrar

Den fotoniska SHE är en svag effekt som producerar spinnberoende skift, vanligtvis endast av storleksordningen subvåglängd. Den svaga värdeförstärkningsmekanismen för kvantsvaga mätningar ger ett möjligt sätt att förstärka och mäta denna lilla förändring exakt. Samtidigt, på grund av den fotoniska SHE:s höga känslighet för optiska koefficienter, kan den användas som en sond av svagt mätsystem för precisionsmetrologi av fysiska parametrar. Motsvarande mätnoggrannhet kan förbättras med två storleksordningar högre än de konventionella metoderna i existerande experimentella mätningar av tvådimensionella atomkristaller, såsom bestämning av konduktiviteten hos grafen [Fig. 1(a)] och undersöker den optiska modellen av grafen [Fig. 1(b)]. Dessutom är spin Hall-skiftet nära relaterat till den optiska aktiviteten hos kemiska lösningar eller biomolekyler, så det kan också användas som ett exakt verktyg för att utveckla ultrakänsliga avkänningstillämpningar.

Analog optisk beräkning och bildkantsdetektering

Den analoga optiska beräkningen tar ljus som bärare för att realisera informationsbehandling genom att använda förändringen av fotoner i strålutbredning, som har en inneboende parallell natur för höghastighets- och storskalig drift och därmed visar överlägsen integrationsförmåga jämfört med de traditionella digitala processerna. Optisk kantdetektering, en viktig tillämpningsgren inom analog optisk beräkning, återställer viktiga geometriska egenskaper genom att minska mängden data som ska bearbetas och extrahera meningsfull information i bilden. Baserat på den fotoniska SHE vid beräkningsmetasytor, kan multifunktionell bredbandsbildkantdetektering med justerbar upplösning realiseras efter första ordningens rumsdifferentiering (Fig. 2).

Förutom klassiska ljuskällor spelar spin-omloppsinteraktionen mellan kvantljuskällor också en viktig roll i bildkantsdetektering. Såsom visas i fig. 3 kan olika bildåtergivningsresultat erhållas genom att fjärrväxla fotonernas polarisationstillstånd (används för triggning) i det intrasslade fotonparet, vilket möjliggör fjärrväxling av bildåtergivning i både vanliga och kantdetekteringslägen. Jämfört med detektionen i klassisk optik, uppvisar kvantkantdetekteringen och bildbehandlingen baserad på intrasslade fotoner högre brus-signalförhållande vid samma fotonflödesnivå. Utvecklingen av analog optisk datoranvändning baserad på den fotoniska SHE för att förverkliga helt optisk bildbehandling, har också viktiga tillämpningsmöjligheter inom mikroskopi, kvantavbildning, artificiell intelligens, etc.

Forskningen om den fotoniska SHE ger en unik grad av frihet vid manipulering av fotoner, för att driva utvecklingen av spin Hall-enheter, kan till och med främja bildandet av en framväxande disciplin som kallas spin-fotonik. + Utforska vidare

Forskare hittar den saknade fotoniska länken för att möjliggöra ett helkiselkvantinternet