Efeito Hall de rotação fotônica:fundamentos e aplicações emergentes

Fig. 1 Determinação dos parâmetros de cristal atômico bidimensional com base no SHE fotônico. (a) Esquema e os resultados experimentais da determinação da condutividade do grafeno com medições fracas; (b) Esquema de dois modelos ópticos de grafeno e seu exame. Crédito:Compuscript Ltda.

Quando um feixe é refletido (ou refratado) na interface óptica ou se propaga através de um meio não homogêneo, fótons com momentos angulares de spin opostos se separam, resultando em uma divisão da luz dependente do spin, e esse fenômeno é chamado de spin fotônico Hall efeito (SHE). O SHE fotônico é um efeito físico fundamental que se origina da interação spin-órbita da luz. Pode ser considerado como um análogo do efeito de spin Hall em sistemas eletrônicos:os componentes de polarização circular destro e canhoto da luz desempenham o papel de elétrons spin-up e spin-down, respectivamente, e o gradiente do índice de refração desempenha o papel do gradiente de potencial. As propriedades físicas únicas do SHE fotônico e sua poderosa capacidade de manipular fótons o tornaram um ponto importante na óptica moderna, com amplas perspectivas de aplicação em metrologia precisa, processamento óptico analógico, imagem quântica e imagem de microscopia. Recentemente, o grupo de pesquisa dos professores Hailu Luo/Shuangchun Wen da Universidade de Hunan na China foi convidado a revisar os fundamentos e as aplicações emergentes do SHE fotônico. Da perspectiva da interação spin-órbita sustentada por fases geométricas, eles descreveram sistematicamente os conceitos fundamentais e os avanços recentes do SHE fotônico e destacaram suas importantes aplicações na medição de parâmetros físicos, computação óptica analógica e detecção de borda de imagem totalmente óptica.
O grupo de pesquisa dos professores Hailu Luo/Shuangchun Wen está envolvido em fotônica de spin há anos. É uma das primeiras equipes do mundo a realizar a metrologia de precisão de parâmetros físicos e a computação óptica analógica baseada no SHE fotônico.

Metrologia de precisão de parâmetros físicos

O SHE fotônico é um efeito fraco que produz deslocamentos dependentes do spin, geralmente apenas da ordem do subcomprimento de onda. O mecanismo de amplificação de valor fraco de medições fracas quânticas fornece uma maneira viável de amplificar e medir essa pequena mudança com precisão. Enquanto isso, devido à alta sensibilidade do SHE fotônico aos coeficientes ópticos, ele pode ser usado como uma sonda de sistema de medição fraco para a metrologia de precisão de parâmetros físicos. A precisão de medição correspondente, pode ser melhorada em duas ordens de grandeza maior do que os métodos convencionais em medições experimentais existentes de cristais atômicos bidimensionais, como a determinação da condutividade do grafeno [Fig. 1(a)] e examinando o modelo óptico de grafeno [Fig. 1(b)]. Além disso, o deslocamento de spin Hall está intimamente relacionado à atividade óptica de soluções químicas ou biomoléculas, de modo que também pode ser adotado como uma ferramenta precisa para desenvolver aplicações de sensoriamento ultrassensível.

Fig. 2 Detecção de borda de imagem de banda larga baseada no SHE fotônico em metasuperfícies dielétricas. (a) Montagem experimental; (b) Amostra de metasuperfícies e ilustração de detecção de borda; (c) Resultados da detecção de bordas de imagens de banda larga em diferentes comprimentos de onda de iluminação; (d) Resultados da detecção de bordas de imagens usando metasuperfícies com diferentes períodos. Crédito:Compuscript Ltda.
Fig. 3 Detecção de borda comutável quântica baseada no SHE fotônico em metasuperfícies dielétricas. (a) Montagem experimental; (b) A primeira linha é a ilustração da medição de coincidência, e a segunda linha mostra o esquema de controle do modo de detecção de borda quântica; (c) A imagem de detecção de borda exibe uma alta relação sinal-ruído. Crédito:Compuscript Ltda.

Computação óptica analógica e detecção de borda de imagem

A computação óptica analógica toma a luz como portadora para realizar o processamento da informação usando a mudança de fótons na propagação do feixe, que possui natureza paralela intrínseca para operação de alta velocidade e larga escala e, portanto, apresenta capacidade de integração superior em comparação com os processos digitais tradicionais. A detecção óptica de bordas, um importante ramo de aplicação da computação óptica analógica, reduz importantes características geométricas, reduzindo a quantidade de dados a serem processados e extraindo informações significativas na imagem. Com base no SHE fotônico em metasuperfícies de computação, a detecção de borda de imagem de banda larga multifuncional com resolução ajustável pode ser realizada após diferenciação espacial de primeira ordem (Fig. 2).

Além das fontes de luz clássicas, a interação spin-órbita das fontes de luz quântica também desempenha um papel importante na detecção de bordas da imagem. Conforme mostrado na Fig. 3, diferentes resultados de imagem podem ser obtidos alternando remotamente o estado de polarização dos fótons (usados para disparo) no par de fótons emaranhados, permitindo assim a comutação remota de imagens nos modos de detecção regular e de borda. Em comparação com a detecção em óptica clássica, a detecção de borda quântica e o processamento de imagem baseado em fótons emaranhados exibem uma relação sinal-ruído mais alta no mesmo nível de fluxo de fótons. O desenvolvimento da computação óptica analógica baseada no SHE fotônico para realizar processamento de imagem totalmente óptico, também possui importantes perspectivas de aplicação em imagens de microscopia, imagens quânticas, inteligência artificial, etc.

A pesquisa sobre o SHE fotônico proporciona um grau único de liberdade na manipulação de fótons, para impulsionar o desenvolvimento de dispositivos de spin Hall, podendo inclusive promover a formação de uma disciplina emergente chamada spin-fotônica. + Explorar mais