Quando un raggio viene riflesso (o rifratto) all'interfaccia ottica o si propaga attraverso un mezzo disomogeneo, i fotoni con momento angolare di spin opposto si separeranno l'uno dall'altro, determinando una scissione della luce dipendente dallo spin, e questo fenomeno è chiamato spin fotonico Hall effetto (LEI). Il fotonico SHE è un effetto fisico fondamentale che ha origine dall'interazione spin-orbita della luce. Può essere considerato un analogo dell'effetto Hall di spin nei sistemi elettronici:le componenti di polarizzazione circolare destrorsa e sinistrorsa della luce svolgono rispettivamente il ruolo di elettroni spin-up e spin-down, e il gradiente dell'indice di rifrazione gioca il ruolo del gradiente potenziale. Le proprietà fisiche uniche dell'SHE fotonico e la sua potente capacità di manipolare i fotoni ne hanno fatto un punto caldo nell'ottica moderna, con ampie prospettive applicative nella metrologia precisa, nell'elaborazione ottica analogica, nell'imaging quantistico e nell'imaging microscopico. Recentemente, il gruppo di ricerca dei professori Hailu Luo/Shuangchun Wen dell'Università di Hunan in Cina è stato invitato a rivedere i fondamenti e le applicazioni emergenti della SHE fotonica. Dal punto di vista dell'interazione spin-orbita supportata da fasi geometriche, hanno descritto sistematicamente i concetti fondamentali e i recenti progressi dell'SHE fotonico e ne hanno evidenziato le importanti applicazioni nella misurazione dei parametri fisici, nel calcolo ottico analogico e nel rilevamento del bordo dell'immagine tutto ottico.

Il gruppo di ricerca dei professori Hailu Luo/Shuangchun Wen si occupa da anni di spin fotonica. È uno dei primi team al mondo a eseguire la metrologia di precisione di parametri fisici e il calcolo ottico analogico basato sull'SHE fotonico.

Metrologia di precisione dei parametri fisici

Il fotonico SHE è un effetto debole che produce spostamenti dipendenti dallo spin di solito solo dell'ordine della lunghezza d'onda. Il meccanismo di amplificazione del valore debole delle misurazioni quantistiche deboli fornisce un modo fattibile per amplificare e misurare con precisione questo piccolo spostamento. Nel frattempo, a causa dell'elevata sensibilità del fotonico SHE ai coefficienti ottici, può essere utilizzato come sonda di un sistema di misurazione debole per la metrologia di precisione di parametri fisici. L'accuratezza della misurazione corrispondente può essere migliorata di due ordini di grandezza in più rispetto ai metodi convenzionali nelle misurazioni sperimentali esistenti di cristalli atomici bidimensionali, come la determinazione della conducibilità del grafene [Fig. 1(a)] ed esaminando il modello ottico del grafene [Fig. 1(b)]. Inoltre, lo spin Hall shift è strettamente correlato all'attività ottica di soluzioni chimiche o biomolecole, quindi può essere adottato anche come strumento preciso per sviluppare applicazioni di rilevamento ultrasensibili.

Calcolo ottico analogico e rilevamento dei bordi dell'immagine

Il calcolo ottico analogico utilizza la luce come vettore per realizzare l'elaborazione delle informazioni utilizzando il cambiamento dei fotoni nella propagazione del fascio, che ha una natura parallela intrinseca per operazioni ad alta velocità e su larga scala e mostra quindi una capacità di integrazione superiore rispetto ai tradizionali processi digitali. Il rilevamento del bordo ottico, un importante ramo applicativo del calcolo ottico analogico, conserva importanti caratteristiche geometriche riducendo la quantità di dati da elaborare ed estraendo informazioni significative nell'immagine. Sulla base della SHE fotonica al calcolo delle metasuperfici, è possibile realizzare il rilevamento multifunzionale dei bordi dell'immagine a banda larga con risoluzione regolabile dopo la differenziazione spaziale del primo ordine (Fig. 2).

Oltre alle sorgenti luminose classiche, anche l'interazione spin-orbita delle sorgenti luminose quantistiche svolge un ruolo importante nel rilevamento dei bordi dell'immagine. Come mostrato in Fig. 3, è possibile ottenere risultati di imaging diversi commutando a distanza lo stato di polarizzazione dei fotoni (usati per l'attivazione) nella coppia di fotoni entangled, consentendo così la commutazione remota dell'imaging sia in modalità di rilevamento regolare che di bordo. Rispetto al rilevamento nell'ottica classica, il rilevamento del bordo quantistico e l'elaborazione delle immagini basata su fotoni entangled mostra un rapporto segnale-rumore più elevato allo stesso livello di flusso di fotoni. Lo sviluppo del calcolo ottico analogico basato sull'SHE fotonico per realizzare l'elaborazione di immagini completamente ottiche, possiede anche importanti prospettive applicative nell'imaging microscopico, nell'imaging quantistico, nell'intelligenza artificiale, ecc.

La ricerca sull'SHE fotonico fornisce un grado di libertà unico sulla manipolazione dei fotoni, per guidare lo sviluppo di dispositivi di spin Hall, può persino promuovere la formazione di una disciplina emergente chiamata spin-photonics. + Esplora ulteriormente

I ricercatori trovano il collegamento fotonico mancante per abilitare un Internet quantistico tutto silicio