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.     

光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性研究

从光束角谱理论出发建立了描述光自旋霍尔效应的傍轴传输模型, 利用这一模型分析了光自旋霍尔效应中的交叉偏振特性. 通过分析交叉偏振效应强度和入射角变化的规律, 发现交叉偏振效应越强, 光自旋霍尔效应中的自旋分裂越大. 为便于实验观察, 将入射角选在光自旋霍尔效应较强的布儒斯特角附近, 观测到了强的交叉偏振效应. 增大交叉偏振分量的同时减小初始偏振分量, 可显著增强光自旋霍尔效应. 这一调控方法为研制基于光自旋霍尔效应的新型光子器件提供了理论基础.     

光自旋霍尔效应的研究性实验教学

光自旋霍尔效应是由于光子的自旋-轨道相互作用导致自旋相反的光子相互分离的光学效应,极大地丰富了光学研究内涵,成为现代光学的研究前沿和热点.由于光自旋霍尔效应实验与由偏振片、望远镜、显微镜等器件组装的实验相通,因此可以把光自旋霍尔效应的研究成果进行整理,设计制作出适合于本科实验教学的仪器.本文对光自旋霍尔效应的研究进展进行了综述,并介绍了利用所开发的光自旋霍尔效应实验仪可开展的实验类型和进行研究性教学的情况.     

克尔磁光效应的经典理论分析

本文引入与自旋-轨道相互作用等有关的有效场概念,运用经典电磁场理论,推导了磁光克尔旋转的明确表达式.证明了各种磁光介质的极向克尔旋转θ_k的实部θ′_k和虚部θ″_k均与有效场H_i成正比,在铁磁性介质中近似与vM成正比,M为磁化强度,在亚铁磁性等介质中近似与(?)v_iM_i成正比,M_i为i次点阵的磁化强度.同时还证明了近似的横向克尔旋转θ_k~t与H_i~2正比;θ_k和θ_k~t的温度特性取决于H_i的温度特性.     

磁光克尔和法拉第效应的完整测量

简单叙述了克尔效应和法拉第效应的原理，并从光谱学研究的角度，对克尔和法拉第旋转角和椭偏率完整磁光参数的若干种实验测量作了介绍和讨论；讨论了一种可供实用的傅里叶磁光谱分析法，可以用较少的并且是无色散的光学元件，通过旋转检偏器，对出射光强随检偏角变化的关系，作傅里叶变换，就可直接可见光区求得完整的克尔和法拉第磁光参数，同时还给出了具体的实例和测量研究的结果。     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

自旋-轨道耦合对磁性绝缘体磁光Kerr效应的影响

采用单原子能级跃迁模型,导出在同时考虑自旋交换劈裂和自旋轨道耦合时磁光Kerr旋转的微观表达式,并就四能级跃迁情况,研究了磁光效应随原子基态及激发态能级自旋轨道耦合常数的变化规律.结果表明:磁光Kerr旋转角与自旋轨道耦合劈裂能量不成正比;单原子能级自旋轨道耦合常数为正或中间激发态自旋轨道耦合常数为负时,有利于提高磁光Kerr旋转. 关键词： 磁光Kerr效应 自旋轨道耦合 线性响应核 劈裂     

一维金属光栅嵌入磁性介质纳米结构下的横向磁光克尔效应的增强

本文在一维金属光栅嵌入磁性介质的体系中实现了横向磁光克尔效应的增强.通过最优化金属光栅的嵌入深度来有效激发磁性介质中的波导模式与金属条带上的局域等离激元模式,从而使横向磁光克尔效应的响应得到巨大增强.本文提出了一种用于增强横向磁光克尔效应的新型等离激元微纳结构,这种结构可以应用于高性能磁光器件的设计.     

一维磁光子晶体的法拉第效应

由于一维磁光子晶体能同时展示出很好的光透射率和法拉第旋转,故可用于实现小尺度的磁光隔离器。采用传输矩阵法研究了由磁光膜(Bi∶YIG)和电介质膜(Ta2O5,SiO2)构成的一维磁光子晶体,分别讨论了在垂直入射和斜入射条件下的法拉第效应,并给出了几种可行性结构,对磁光隔离器件的进一步改进设计具有一定的参考价值。     

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     

用表面磁光克尔原理测量薄膜材料的磁性参数

以表面磁光克尔原理为机理,测量薄膜材料的磁性参数,实验上求得了饱和状态下坡莫合金的克尔偏转角,并测出了其磁滞回线.     

Vacuum Rabi Splitting and Kerr Effect of a Hybrid Spin–Magnon–Photon System

The vacuum Rabi splitting and Kerr effect are investigated theoretically in a hybrid spin–magnon–photon system, where the nitrogen-vacancy center in diamond driven by two light fields is coupled to a spherical micromagnet embedded in a superconducting coplanar waveguide resonator. The results indicate that the phenomenon of the Mollow triplet and vacuum Rabi splitting can appear by controlling the spin–magnon coupling and magnon–photon coupling. It is shown that the probe absorption spectrum can be adjusted effectively via the pump frequency detuning. Moreover, it is demonstrated that the optical Kerr effect can be tuned by changing the Rabi frequency. This work may provide a possibility for the applications in quantum information processing and quantum sensing of magnetic signal.     

(Ga,Mn)As中电流诱导自旋极化的磁光Kerr测量

在GaAs吸收带边附近, 利用磁光Kerr效应测量了(Ga,Mn)As和p-GaAs样品的电流诱导Kerr旋转谱和反射谱, 两者都呈现出Lorentz曲线形状. 电流诱导Kerr旋转角和反射率随着电流的增大而增大, Kerr角与电流的大小成正比关系, 反射率与电流的平方成正比关系. (Ga,Mn)As的Kerr旋转角比p-GaAs的大了一个数量级, 这说明Mn原子的掺杂使得电流诱导的自旋极化增强. 另外, 还测量了温度和入射光偏振方向对电流诱导Kerr旋转谱和反射谱的影响. 发现随着温度的升高, Kerr谱和反射谱均向长波方向移动, 这与GaAs带边随温度的变化是一致的.     

用磁致旋光效应估测二维磁场分布

为了克服现有测量磁场方法只能单点测量的局限性,基于法拉第磁光效应原理,提出利用磁致旋光估测磁场的方法,提高了磁场测量的效率,获得了磁场的直观分布.建立磁致旋光估测磁场的实验装置,测量了永磁体的磁场,用CCD采集了偏振光通过磁场的图像,通过程序处理可获得磁铁产生的局部磁场二维分布图,并可求得二维分布图上任意点的磁感应强度.     

Generating spin currents in semiconductors with the spin Hall effect

We investigate electrically induced spin currents generated by the spin Hall effect in GaAs structures that distinguish edge effects from spin transport. Using Kerr rotation microscopy to image the spin polarization, we demonstrate that the observed spin accumulation is due to a transverse bulk electron spin current, which can drive spin polarization nearly 40 microns into a region in which there is minimal electric field. Using a model that incorporates the effects of spin drift, we determine the transverse spin drift velocity from the magnetic field dependence of the spin polarization.     

Current-induced polarization and the spin Hall effect at room temperature

Electrically induced electron spin polarization is imaged in n-type ZnSe epilayers using Kerr rotation spectroscopy. Despite no evidence for an electrically induced internal magnetic field, current-induced in-plane spin polarization is observed with characteristic spin lifetimes that decrease with doping density. The spin Hall effect is also observed, indicated by an electrically induced out-of-plane spin polarization with opposite sign for spins accumulating on opposite edges of the sample. The spin Hall conductivity is estimated as 3+/-1.5 Omega(-1) m(-1)/|e| at 20 K, which is consistent with the extrinsic mechanism. Both the current-induced spin polarization and the spin Hall effect are observed at temperatures from 10 to 295 K.     

C掺杂FePt铁磁薄膜光诱导超快退磁动力学研究

FePt合金薄膜由于具有较强的磁各向异性而在磁信息和磁光信息存储中具有重要的应用.C掺杂可精确调控薄膜的磁各向异性,从而可有效地改变薄膜的矫顽场.通过超短激光脉冲与铁磁薄膜相互作用,可以获得非平衡状态下电子、自旋和晶格等自由度之间的动态耦合参数,这是研究超快磁记录材料的物理基础.本文基于瞬态磁光Kerr效应,研究了两种C掺杂浓度下FePt薄膜的超快磁光响应.实验结果表明:瞬态Kerr信号与外加磁场正相关,磁场反向,Kerr信号反号,而瞬态反射率与外加磁场无关;不同C掺杂的FePt薄膜的矫顽场不同,软磁的退磁时间显著小于硬磁薄膜的退磁时间.我们还观测到超快激光在铁磁薄膜中诱导频率约为49 GHz的相干声学声子,该声子的频率与外加磁场无关.实验结果为设计和研制新型磁光薄膜提供了实验依据.     

一种完整测量磁光克尔效应和法拉第效应的方法

详细给出了一种测量完整克尔和法拉弟效应的原理和实验装置。该装置简单可靠,安全由计算机控制。利用傅里叶变换方法,实验系统可以在从０．０１度至几百度的克尔和法拉第旋转角范围内以及在１．５￣６．０ｅＶ的光子能量范围内,准确地测量克尔和法拉第旋转角范围内以及在１．５￣６．０ｅＶ的光子能量范围内,准确地测量克尔和法拉第效应的绝对值。作为实验测量的例子,给出了ＭｎＢｉＡｌ合金薄膜样品和ＧａＰ块状样品的克尔和法     

Enhancing terahertz photonic spin Hall effect via optical Tamm state and the sensing application

The photonic spin Hall effect (PSHE), characterized by two splitting beams with opposite spins, has great potential applications in nano-photonic devices, optical sensing fields, and precision metrology. We present the significant enhancement of terahertz (THz) PSHE by taking advantage of the optical Tamm state (OTS) in InSb-distributed Bragg reflector (DBR) structure. The spin shift of reflected light can be dynamically tuned by the structural parameters (e.g. the thickness) of the InSb-DBR structure as well as the temperature, and the maximum spin shift for a horizontally polarized incident beam at 1.1 THz can reach up to 11.15 mm. Moreover, we propose a THz gas sensing device based on the enhanced PSHE via the strong excitation of OTS for the InSb-DBR structure with a superior intensity sensitivity of 5.873×10⁴ mm/RIU and good stability. This sensor exhibits two orders of magnitude improvement compared with the similar PSHE sensor based on InSb-supported THz long-range surface plasmon resonance. These findings may provide an alternative way for the enhanced PSHE and offer the opportunity for developing new optical sensing devices.