Wanneer een straal wordt gereflecteerd (of gebroken) op optische interface of zich voortplant door een inhomogeen medium, zullen fotonen met tegengestelde spin-hoekmomenten van elkaar scheiden, wat resulteert in een spin-afhankelijke splitsing van licht, en dit fenomeen wordt de fotonische spin Hall genoemd effect (ZIJ). De fotonische SHE is een fundamenteel fysiek effect dat voortkomt uit de spin-baan interactie van licht. Het kan worden beschouwd als een analoog van het spin Hall-effect in elektronische systemen:de rechtshandige en linkshandige circulaire polarisatiecomponenten van licht spelen respectievelijk de rol van spin-up en spin-down elektronen, en de brekingsindexgradiënt speelt de rol van de potentiaalgradiënt. De unieke fysieke eigenschappen van fotonische SHE en zijn krachtige vermogen om fotonen te manipuleren, hebben het tot een hotspot gemaakt in de moderne optica, met brede toepassingsmogelijkheden in nauwkeurige metrologie, analoge optische verwerking, kwantumbeeldvorming en microscopiebeeldvorming. Onlangs is de onderzoeksgroep van professoren Hailu Luo/ Shuangchun Wen van de Hunan University in China uitgenodigd om de fundamenten en opkomende toepassingen van fotonische SHE te beoordelen. Vanuit het perspectief van spin-baaninteractie ondersteund door geometrische fasen, beschreven ze de fundamentele concepten en recente ontwikkelingen van fotonische SHE systematisch, en benadrukten ze de belangrijke toepassingen ervan in fysieke parametermeting, analoge optische computing en volledig optische beeldranddetectie.

De onderzoeksgroep van hoogleraren Hailu Luo/ Shuangchun Wen houdt zich al jaren bezig met spin-fotonica. Het is een van de eerste teams ter wereld die de precisie-metrologie van fysieke parameters en analoge optische berekeningen uitvoert op basis van de fotonische SHE.

Precisiemetrologie van fysieke parameters

De fotonische SHE is een zwak effect dat spinafhankelijke verschuivingen produceert die gewoonlijk slechts in de orde van subgolflengte zijn. Het zwakke-waardeversterkingsmechanisme van kwantumzwakke metingen biedt een haalbare manier om deze kleine verschuiving nauwkeurig te versterken en te meten. Ondertussen kan het, vanwege de hoge gevoeligheid van de fotonische SHE voor optische coëfficiënten, worden gebruikt als een sonde van een zwak meetsysteem voor de nauwkeurige metrologie van fysieke parameters. De bijbehorende meetnauwkeurigheid kan twee ordes van grootte hoger zijn dan de conventionele methoden in bestaande experimentele metingen van tweedimensionale atomaire kristallen, zoals het bepalen van de geleidbaarheid van grafeen [Fig. 1 (a)] en het optische model van grafeen onderzoeken [Fig. 1(b)]. Bovendien is de spin Hall-verschuiving nauw verwant aan de optische activiteit van chemische oplossingen of biomoleculen, dus het kan ook worden gebruikt als een nauwkeurig hulpmiddel om ultragevoelige detectietoepassingen te ontwikkelen.

Analoog optisch computergebruik en beeldranddetectie

De analoge optische computing neemt licht als de drager om informatieverwerking te realiseren door gebruik te maken van de verandering van fotonen in bundelvoortplanting, die intrinsiek parallel is voor snelle en grootschalige werking en dus superieure integratiemogelijkheden vertoont in vergelijking met de traditionele digitale processen. Optische randdetectie, een belangrijke toepassingstak van analoog optisch computergebruik, behoudt belangrijke geometrische kenmerken door de hoeveelheid te verwerken gegevens te verminderen en zinvolle informatie in het beeld te extraheren. Gebaseerd op de fotonische SHE bij het berekenen van meta-oppervlakken, kan multifunctionele breedband beeldranddetectie met instelbare resolutie worden gerealiseerd na ruimtelijke differentiatie van de eerste orde (Fig. 2).

Naast klassieke lichtbronnen speelt ook de spin-baaninteractie van kwantumlichtbronnen een belangrijke rol bij beeldranddetectie. Zoals getoond in Fig. 3, kunnen verschillende beeldresultaten worden verkregen door op afstand de polarisatietoestand van de fotonen (gebruikt voor triggering) in het verstrengelde fotonenpaar op afstand te schakelen, waardoor het op afstand schakelen van beeldvorming in zowel de reguliere als de randdetectiemodus mogelijk wordt. Vergeleken met de detectie in klassieke optica, vertoont de kwantumranddetectie en beeldverwerking op basis van verstrengelde fotonen een hogere ruis-signaalverhouding bij hetzelfde fotonfluxniveau. De ontwikkeling van analoog optisch computergebruik op basis van de fotonische SHE om volledig optische beeldverwerking te realiseren, biedt ook belangrijke toepassingsmogelijkheden in microscopiebeeldvorming, kwantumbeeldvorming, kunstmatige intelligentie, enz.

Het onderzoek naar de fotonische SHE biedt een unieke mate van vrijheid bij het manipuleren van fotonen, om de ontwikkeling van spin Hall-apparaten te stimuleren, en kan zelfs de vorming bevorderen van een opkomende discipline genaamd spin-fotonica. + Verder verkennen

Onderzoekers vinden de ontbrekende fotonische link om een ​​volledig silicium kwantuminternet mogelijk te maken