折射率梯度引起反转的光自旋霍尔效应研究

从经典电动力学出发,研究了由折射率梯度导致的反转光自旋霍尔效应。通过分析光从光疏介质入射到光密介质和从光密介质入射到光疏介质两种情况,揭示了光自旋霍尔效应中的横移与偏振态、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系。当入射角一定时,光从光疏介质入射到光密介质时的水平偏振横移绝对值大于垂直偏振横移,而从光密介质入射到光疏介质的情况正好与之相反,并且传输场的横移方向取决于折射率梯度方向,增大入射角能明显增强光自旋霍尔效应,对某一特定的线偏振光束,其左、右旋圆偏振光分量的横移等值反向。这些研究结果为调控光自旋霍尔效应提供了有效途径。     

转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向

从理论上和实验上研究了转换反射中光自旋霍尔效应的自旋堆积方向的方法,建立了描述光束在空气-棱镜界面反射的自旋堆积模型,揭示了横移与光束入射偏振角的定性关系。研究发现,当入射角小于布儒斯特角时,随着入射偏振角的逐渐增大,自旋堆积的方向发生反转。而当入射角大于布儒斯特角时,自旋堆积的方向不再随入射偏振角的变化而反转。结果表明,在光束入射角为确定值且小于布儒斯特角的情况下,可以通过调控光束的入射偏振角转换自旋堆积的方向。转换自旋堆积方向的研究为有效调控光自旋霍尔效应提供了新的途径。     

多层介质中的光自旋霍尔效应研究

本文研究了光束通过多层介质分界面的光自旋霍尔效应. 以三层介质为例,建立了光束通过棱镜-空气-棱镜结构的传输模型,揭示了横移与空气介质的厚度、折射率梯度以及入射角等因素的定性关系. 发现对某一特定的圆偏振光束,改变两棱镜之间的折射率梯度可以调控横移,反射场与传输场的横移方向取决于折射率梯度. 相对于两层介质来说,高斯光束通过三层介质能明显地增强光自旋霍尔效应. 研究多层介质中光自旋霍尔效应横移的影响因素可为调控和增强光自旋霍尔效应提供理论依据. 关键词： 光自旋霍尔效应 横移 折射率梯度     

磁光克尔效应中的光子自旋分裂

光子自旋霍尔效应类似于电子系统中的电子自旋霍尔效应, 是在折射率梯度和光子分别扮演的外场和自旋电子的角色下, 由自旋-轨道相互作用而产生的光子自旋分裂现象. 光子自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径, 同时也提供了一种精确测量相关物理效应的方法. 本文研究了磁光克尔效应中光子自旋分裂现象, 建立了磁光克尔旋转与光子自旋霍尔效应之间的定量关系, 并通过弱测量系统观测了磁场作用下铁膜表面的光子自旋分裂位移, 得到相应的磁光旋转角, 验证了我们所推导的理论预测. 本文的研究成果为精确测量磁光克尔系数和磁光克尔旋转角提供了一种新方法.     

光自旋霍尔效应及其研究进展

光束在经过非均匀介质后,自旋角动量相反(左、右旋圆偏振)的光子在垂直于入射面的横向相互分离,造成光束的自旋分裂,这种现象叫做光自旋霍尔效应.它类似于电子系统中的自旋霍尔效应:自旋光子扮演自旋电子的角色,而折射率梯度则起外场作用.光自旋霍尔效应为操控光子提供了新的途径,在纳米光学、量子信息和半导体物理方面具有重要的应用前景;同时由于它与凝聚态和高能物理中的带电粒子自旋霍尔效应有高度的相似性和共同的拓扑根源,所以又为测量自旋霍尔效应这类弱拓扑现象提供了独特而又方便的机会.文章简单介绍了光自旋霍尔效应,并总结了近几年国内外的研究进展.     

缀饰格子中时间反演对称破缺的量子自旋霍尔效应

<正>研究了缀饰格子中的量子自旋霍尔效应,模型中同时考虑了Rashba自旋轨道耦合和交换场的作用.缀饰格子具有简立方对称性,以零能平带和单狄拉克锥结构为主要特点.在缀饰格子中,不论是实现量子自旋霍尔效应还是量子反常霍尔效应,都需要一个不为零的内禀自旋轨道耦合作用来打开一个完全的体能隙,这与石墨烯等六角格子模型有着很大的不同.在交换场破坏了时间反演对称性的情况下,以自旋陈数为标志的量子自旋霍尔效应仍然能够存在,边缘态和极化率的相关结果也证明了这一结论.结果表明自旋陈数比z2拓扑数在表征量子自旋霍尔效应方面有着更广泛的适用范围,相应的结论为利用磁场控制量子自旋霍尔效应提出了一个理论模型和依据.     

纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的最佳弱测量

光子自旋霍尔效应是一种潜在的精密测量工具,在探测微结构材料结构参数变化的研究中具有重要的物理意义。基于光子自旋霍尔效应的弱测量模型研究了纳米金属薄膜中的光子自旋霍尔效应,研究结果表明当弱测量中放大角取相应的特殊值时(即最佳弱测量点),纳米金属薄膜中光子自旋霍尔效应的放大后横移值可达到最大,大大提高了光子自旋霍尔效应的探测精度;在最佳弱测量点得到的放大后横移可以更精确地推断出金属薄膜的实际厚度。实验结果与理论分析符合较好,该方法为研制基于光子自旋霍尔效应的精密测量工具提供了理论与实验基础。     

基于合金介电常数的可控特性增强光子自旋霍尔效应

基于平面角谱理论,系统研究了BK7玻璃-合金薄膜-空气结构中合金介电常数的变化对反射光自旋霍尔效应的调控规律.数值仿真结果表明,该结构发生表面等离激元共振的共振角主要受合金介电常数实部的影响,随介电常数实部的增加而增大,而虚部对共振角变化的影响相对较小.不同介电常数合金在其共振角处得到的较大光子自旋霍尔效应横移呈集中的带状分布,选取介电常数-2.8+1.6i的Ag-Ni合金时,光子自旋霍尔效应横移能达到1.2×10~5 nm.研究还发现将入射角固定为44.1°时,光子自旋霍尔效应横移随合金介电常数的变化呈轴对称分布,并以最大值为中心呈球面状辐射,离中心点越远光子自旋霍尔效应横移越小.选取介电常数-10.6+1.2i的Ag-Au合金时,光子自旋霍尔效应横移最大能达到8000 nm,相比于以往纯金属纳米结构BK7玻璃-金-空气中得到的最大光子自旋霍尔效应横移3000 nm有了较大的提高.该研究不仅能够有效增强光子自旋霍尔效应,还能为设计等离激元共振传感器等纳米光子器件提供理论依据.     

光自旋霍尔效应及面内光自旋分离

当宽度有限的实际光束反射和折射时,左旋光和右旋光成分会发生垂直于入射面的空间分离,这一新奇的光自旋霍尔效应近来引起了人们的广泛关注.文章介绍了光自旋霍尔效应的研究进展,特别关注了纳米量级分离的测量方面进展.作者还发现在入射面内也会出现光自旋分离现象,并对这一新现象进行了理论分析和实验研究,实验测量数据和理论计算结果非常符合.     

弯曲时空中转动对自旋流的影响

自旋轨道相互作用和自旋霍尔效应一直受到广泛关注,不仅在理论上进行了预测,而且也在实验中实现了自旋电流的产生.本文研究弯曲时空中转动对自旋流和自旋霍尔电导率的影响.非平庸几何可以改变自旋和轨道之间的相互作用,利用推广的Drude模型,计算了自旋依赖的作用力,并得到了非平庸几何对该力的修正.当计入转动效应时,给出了一般性的Dirac方程,并利用Foldy-Wouthuysen变换得到了非相对论近似下的哈密顿量.在此基础上,计算了自旋流和自旋霍尔电导率.在弯曲时空中由于转动的效应而导致偏振矢量的变形,自旋流的大小和方向都会因为转动而发生改变,因而自旋霍尔电导率也会随之得到修正.时空几何的非平庸性导致了自旋流有各向异性的特点.研究结论可以用于分析量子霍尔系统中带电旋量粒子的电磁动力学问题,也可以对晶体中的缺陷问题提供重要的理论帮助.对于光子系统来说,研究结果对于研究光子自旋霍尔效应在静态引力场中的行为具有一定的参考价值,对于实验上利用光子自旋霍尔效应来实现弯曲时空提供一定的理论支持.     

Spin Hall effect of light in one-dimensional photonic crystal

We established a general propagating model to investigate the spin Hall effect of light in one-dimensional photonic crystal. A polarized (spin dependent) Gaussian beam which was incident obliquely through one-dimensional photonic crystal was demonstrated. Having decomposed a polarized Gaussian beam into different plane wave components charactering individual wave vectors, we revealed the transmission coefficient and reflection coefficient of each plane wave which propagates through the one-dimensional photonic crystal. It enabled us to obtain exact solution to the electric field of transmitted and reflected beams, and the analytical formula of light intensity, accordingly. A method based upon the partial differentials with the intensity distribution of the transmitted and reflected Gaussian beams was presented to determine the transverse and longitude shifts explicitly. Spin dependent shifts in one-dimensional photonic crystal provide alternative evidence for the spin Hall effect of light.     

光自旋霍尔效应中横移的影响因素研究

研究了光束在空气与电介质分界面传输产生的自旋霍尔效应,揭示了光束重心横移分别与偏振态、折射率差以及入射角三者之间的定性关系.研究发现各光场横移都随偏振参量增大而增大,左、右旋椭圆偏振光的横移等值反向,圆偏振态下的横移比椭圆偏振态下的横移大.改变折射率差的大小,反射光横移随折射率差的增大而减小,但当折射率差接近零时,反射...     

Ferromagnetic resonance spin pumping in CoFeB with highly resistive non-magnetic electrodes

The relative contribution of spin pumping and spin rectification from the ferromagnetic resonance of CoFeB/non-magnetic bilayers was investigated as a function of non-magnetic electrode resistance. Samples with highly resistive electrodes of Ta or Ti exhibit a stronger spin rectification signal, which may result in over-(or under-) estimation of the spin Hall angle of the materials, while those with low resistive electrodes of Pt or Pd show the domination of the inverse spin Hall effect from spin pumping. By comparison with samples of single FM layer and an inverted structure, we provide a proper analysis method to extract spin pumping contribution.     

Asymmetrical photonic spin Hall effect based on dielectric metasurfaces

The photonic spin Hall effect has attracted considerable research interest due to its potential applications in spin-controlled nanophotonic devices. However, realization of the asymmetrical photonic spin Hall effect with a single optical element is still a challenge due to the conjugation of the Pancharatnam-Berry phase, which reduces the flexibility in various applications. Here, we demonstrate an asymmetrical spin-dependent beam splitter based on a single-layer dielectric metasurface exhibiting strong and controllable optical response. The metasurface consists of an array of dielectric nanofins, where both varying rotation angles and feature sizes of the unit cells are utilized to create high-efficiency dielectric metasurfaces, which enables to break the conjugated characteristic of phase gradient. Thanks to the superiority of the phase modulation ability, when the fabricated metasurface is under normal incidence with a wavelength of 1550 nm, the left-handed circular polarization (LCP) light exhibits an anomalous refraction angle of 28.9°, while the right-handed circular polarization (RCP) light transmits directly. The method we proposed can be used for the flexible manipulation of spin photons and has potentials in high efficiency metasurfaces with versatile functionalities, especially with metasurfaces in a compact space.     

The spin Hall effect in single-crystalline gold thin films

The spin Hall effect has been investigated in 10-nm-thick epitaxial Au(001) single crystal films via H-pattern devices,whose minimum characteristic dimension is about 40 nm. By improving the film quality and optimizing the in-plane geometry parameters of the devices, we explicitly extract the spin Hall effect contribution from the ballistic and bypass contribution which were previously reported to be dominating the non-local voltage. Furthermore, we calculate a lower limit of the spin Hall angle of 0.08 at room temperature. Our results indicate that the giant spin Hall effect in Au thin films is dominated not by the interior defects scattering, but by the surface scattering. Besides, our results also provide an additional experimental method to determine the magnitude of spin Hall angle unambiguously.     

Spin Hall effect of a light beam in anisotropic metamaterials

<正>We theoretically investigate a switchable spin Hall effect of light(SHEL) in reflection for three specific dispersion relations at an air-anisotropic metamaterial interface.The displacements of horizontal and vertical polarization components vary with the incident angle at different dispersion relations.The transverse displacements can be obtained with the relevant metamaterial whose refractive index can be arbitrarily tailed.The results of the SHEL in the metarnaterial provide a new way for manipulating the transverse displacements of a specific polarization component.