Lorsqu'un faisceau est réfléchi (ou réfracté) à l'interface optique ou se propage à travers un milieu inhomogène, les photons avec des moments cinétiques de spin opposés se séparent les uns des autres, ce qui entraîne une division de la lumière dépendante du spin, et ce phénomène est appelé spin photonique Hall effet (SHE). Le SHE photonique est un effet physique fondamental qui provient de l'interaction spin-orbite de la lumière. Il peut être considéré comme un analogue de l'effet Hall de spin dans les systèmes électroniques :les composantes de polarisation circulaire droite et gauche de la lumière jouent respectivement le rôle d'électrons de spin-up et de spin-down, et le gradient d'indice de réfraction joue le rôle du gradient de potentiel. Les propriétés physiques uniques du SHE photonique et sa puissante capacité à manipuler les photons en ont fait un point chaud de l'optique moderne, avec de larges perspectives d'application dans la métrologie précise, le traitement optique analogique, l'imagerie quantique et l'imagerie par microscopie. Récemment, le groupe de recherche des professeurs Hailu Luo/ Shuangchun Wen de l'Université du Hunan en Chine a été invité à examiner les principes fondamentaux et les applications émergentes du SHE photonique. Du point de vue de l'interaction spin-orbite sous-tendue par des phases géométriques, ils ont décrit systématiquement les concepts fondamentaux et les avancées récentes du SHE photonique, et ont mis en évidence ses applications importantes dans la mesure des paramètres physiques, le calcul optique analogique et la détection des contours d'image tout optique.

Le groupe de recherche des professeurs Hailu Luo/ Shuangchun Wen est engagé dans la photonique de spin depuis des années. C'est l'une des premières équipes au monde à réaliser la métrologie de précision des paramètres physiques et le calcul optique analogique basé sur le SHE photonique.

Métrologie de précision des paramètres physiques

Le SHE photonique est un effet faible qui produit des décalages dépendant du spin généralement uniquement de l'ordre de la sous-longueur d'onde. Le mécanisme d'amplification de faible valeur des mesures quantiques faibles fournit un moyen réalisable d'amplifier et de mesurer précisément ce petit décalage. Parallèlement, en raison de la grande sensibilité du SHE photonique aux coefficients optiques, il peut être utilisé comme sonde de système de mesure faible pour la métrologie de précision de paramètres physiques. La précision de mesure correspondante peut être améliorée de deux ordres de grandeur par rapport aux méthodes conventionnelles dans les mesures expérimentales existantes de cristaux atomiques bidimensionnels, telles que la détermination de la conductivité du graphène [Fig. 1(a)] et en examinant le modèle optique du graphène [Fig. 1(b)]. De plus, le décalage Hall de spin est étroitement lié à l'activité optique des solutions chimiques ou des biomolécules, il peut donc également être adopté comme un outil précis pour développer des applications de détection ultra-sensibles.

Informatique optique analogique et détection des bords de l'image

L'informatique optique analogique prend la lumière comme support pour réaliser le traitement de l'information en utilisant le changement de photons dans la propagation du faisceau, qui a une nature parallèle intrinsèque pour un fonctionnement à grande vitesse et à grande échelle et montre ainsi une capacité d'intégration supérieure par rapport aux processus numériques traditionnels. La détection optique des bords, une branche d'application importante de l'informatique optique analogique, recolore des caractéristiques géométriques importantes en réduisant la quantité de données à traiter et en extrayant des informations significatives dans l'image. Sur la base du SHE photonique des métasurfaces informatiques, une détection multifonctionnelle des bords d'image à large bande avec une résolution réglable peut être réalisée après une différenciation spatiale de premier ordre (Fig. 2).

En plus des sources lumineuses classiques, l'interaction spin-orbite des sources lumineuses quantiques joue également un rôle important dans la détection des bords de l'image. Comme le montre la figure 3, différents résultats d'imagerie peuvent être obtenus en commutant à distance l'état de polarisation des photons (utilisés pour le déclenchement) dans la paire de photons intriqués, permettant ainsi la commutation à distance de l'imagerie dans les modes de détection régulier et de bord. Par rapport à la détection en optique classique, la détection de bord quantique et le traitement d'image basés sur des photons intriqués présentent un rapport bruit-signal plus élevé au même niveau de flux de photons. Le développement du calcul optique analogique basé sur le SHE photonique pour réaliser un traitement d'image tout optique, possède également d'importantes perspectives d'application en imagerie microscopique, imagerie quantique, intelligence artificielle, etc.

La recherche sur le SHE photonique offre un degré de liberté unique sur la manipulation des photons, pour conduire le développement de dispositifs à effet Hall de spin, et peut même favoriser la formation d'une discipline émergente appelée spin-photonique. + Explorer plus loin

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