磁光超材料波导的光自旋霍尔效应研究

Spin Hall effect of light (SHEL) is an effective method to manipulate spin photons, which is also the theoretical basis for development of a new generation of lossless or low-loss photonic devices. It has broad application prospects in integrated photonics, precise measurement and quantum information processing. Because the spin-orbit coupling in optics is very weak, the transverse splitting of SHEL is only sub-wavelength. How to effectively strengthen and adjust SHEL is the key factor to promote its application. In this project, the unique magneto-optic spin Hall effect of light (MOSHEL) in magneto-optic waveguides will be studied by combining the novel electromagnetic properties of metamaterials with magneto-optic (MO) properties of MO materials. We will reveal the mechanism of enhancement and regulation of SHEL by magneto-optic Kerr effect and tunable optica properties of metamaterials in different magnetic field modes , improve analytical and numerical algorithms of MOSHEL, analyze nonreciprocal and asymmetric properties of circularly polarized light splitting, establish the quantum weak measurement platform and verify nonreciprocal and asymmetric MOSHEL, explore the application of MOSHEL in optical field control. This project will help clarify the mechanism of MOSHEL, and also develop a new class of spin photonic devices.

光自旋霍尔效应是操控自旋光子的有效方法，也是新一代无损耗或低损耗光子器件研制的理论基础，在集成光子学、精密计量及量子信息处理方面具有广阔的应用前景。由于光学中的自旋-轨道耦合作用非常弱，光自旋霍尔效应横向分裂仅为亚波长量级，如何有效增强光自旋霍尔效应并发展相应的调控方法，是促进其应用的关键因素。本项目拟结合超材料新颖的电磁特性和磁光材料的磁光性能，研究磁光超材料波导中独特的磁光光自旋霍尔效应(MOSHEL)，揭示不同磁场模式下，超材料的可调光学特性和磁光克尔效应对光自旋霍尔效应增强和调控的机理，改进MOSHEL的解析和数值算法，分析不同方向磁场时圆偏振光分裂的非互易性与非对称性，通过搭建MOSHEL量子弱测量平台，对非互易性与非对称性的MOSHEL进行验证，探索MOSHEL在光场调控中的应用。本项目的开展将为澄清MOSHEL现象物理机制，发展新型自旋光子器件奠定理论和实验基础。

光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径，为新一代光子学器件的研制提供了理论和实验支持，同时在微纳光电子学、量子信息和半导体物理体方面具有重要的应用前景。通常情况下光自旋霍尔效应中的光束横向分裂很小，仅为波长的几分之一，因此要实现其实际应用，如何有效增强和灵活调控这一效应尤为重要。本项目结合超材料新颖的电磁特性和磁光材料的磁光性能，针对不同磁光超材料光波导结构中的光自旋霍尔效应，利用磁光转移矩阵法，建立了此类波导结构中反射光和透射光的计算模型，给出了不同克尔效应下，经过各向异性多层波导结构的动态矩阵和传输矩阵，推导了基于角谱分析法的横向位移的计算表达式。并以双负超材料磁光波导为例研究了不同磁光克尔效应下的光自旋霍尔效应，同时分析了石墨烯-金多层周期超材料波导结构对光自旋霍尔效应的增强作用。从理论出发，辨明了增强光自旋霍尔效应的理论依据。在此基础上，引入弱测量放大技术搭建了光自旋霍尔效应实验光路进行实验验证，并设计磁光光自旋霍尔效应传感应用和光场调控方案，为探索光自旋霍尔效应对发展自旋光子学材料及自旋相关新型光子器件的应用提供了基础。