光子自旋霍尔效应：基础和新兴应用

文章来源：物理研究更新

作者：更新

当光束在光学界面被反射（或折射）或在非均匀介质中传播时，具有相反自旋角动量的光子将相互分离，导致光的自旋相关分裂，这种现象称为光子自旋霍尔效果（SHE）。光子SHE是一种基本的物理效应，它源于光的自旋-轨道相互作用。它可以看作是电子系统中的自旋霍尔效应的类比：光的右旋和左旋圆偏振分量分别扮演自旋上电子和自旋下电子的角色，折射率梯度扮演电位梯度的角色。光子SHE独特的物理特性及其对光子的强大操纵能力使其成为现代光学研究的热点，在精密计量、模拟光学处理、量子成像和显微成像等领域具有广泛的应用前景。

光子的SHE效应是一种微弱的效应，它产生的自旋相关位移通常只有亚波长的量级。量子弱测量的弱值放大机制为精确放大和测量这种微小位移提供了一种可行的方法。同时，由于光子SHE对光学系数的高灵敏度，它可以作为弱测量系统的探针，用于物理参数的精密测量。在现有的二维原子晶体的实验测量中，如测定石墨烯的电导率[图1(a)]和检查石墨烯的光学模型[图1(b)]，其测量精度可以比传统方法提高两个数量级。此外，自旋霍尔位移与化学溶液或生物分子的光学活性密切相关，因此它也可以作为一种精密的工具来开发超灵敏的传感应用。

模拟光学计算以光为载体，利用光束传播中光子的变化来实现信息处理，具有高速、大规模运算固有的并行性，因此与传统的数字处理相比具有优越的集成能力。光学边缘检测是模拟光学计算的一个重要应用分支，它通过减少需要处理的数据量来提取图像中有意义的信息，从而保留重要的几何特征。基于计算超表面的光子SHE，经过一阶空间微分，可实现分辨率可调的多功能宽带图像边缘检测(下图)。

除了经典光源外，量子光源的自旋-轨道相互作用在图像边缘检测中也发挥着重要作用。如下图所示，通过远程切换纠缠光子对中用于触发的光子偏振状态，可以获得不同的成像结果，从而实现规则模式和边缘检测模式的成像远程切换。与经典光学检测相比，在相同的光子通量水平上，基于纠缠光子的量子边缘检测和图像处理表现出更高的信噪比。基于光子SHE的模拟光学计算发展，实现全光学图像处理，在显微成像、量子成像、人工智能等领域也具有重要的应用前景。

光子SHE的研究为光子的操纵提供了独特的自由度，推动了自旋霍尔器件的发展，甚至可以促进一门新兴学科——自旋光子学的形成。

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