光子自旋霍尔效应的弱测量理论及应用研究

摘要

近年来，类似于电子系统中的自旋霍尔效应，一种新型的物理现象-光子自旋霍尔效应引起了人们的广泛兴趣。光子自旋霍尔效应是指当一束空间受限的线偏振光在两种不同介质的界面处发生反射与折射时，自旋手性相反的光子沿垂直于折射率梯度的两个相反方向移动，从而导致入射光束分裂成两束左旋与右旋圆偏振光并分居入射面的两侧。光子自旋霍尔效应与电子自旋霍尔效应具有类比的特性：其中自旋电子的角色由自旋光子扮演,而外场的角色则由介质折射率梯度扮演。自旋-轨道相互作用是产生光子自旋霍尔效应的根本原因，它表现为光的偏振与光束的传播轨迹之间的相互影响。
　　以往的研究大部分都局限于不同物理系统中光子自旋霍尔效应相关的理论计算与实验观测，而有关其应用方面的研究却鲜有报道。值得关注的是，光自旋霍尔效应是一种灵敏的物理效应，它对于物理系统中结构参数的变化非常敏感。因此，光子自旋霍尔效应在精密测量领域具有潜在的应用价值。但是，光子自旋霍尔效应又是一种十分弱小的现象，它所产生的自旋位移值只有约几十纳米，一般的测量仪器都无法对它进行直接探测。弱测量技术的出现为解决这一问题提供了可能。弱测量是指在一般量子测量的过程中引入前选择与后选择的状态，当前选择态与后选择态接近正交时，测量结果可以得到显著放大。因此，可以利用弱测量技术对不同物理系统中的光子自旋霍尔效应进行有效探测。
　　基于以上认识，本文对基于光子自旋霍尔效应弱测量理论进行了系统的研究，并在其应用研究方面开展了有特色的工作，取得了如下几项研究成果：
　　（1）在光波波段，光子自旋霍尔效应非常的弱且相应的自旋位移值仅为几十纳米。因此在以往的光子隧穿实验中，已有的实验仪器无法对其进行直接响应。该工作通过构建一种势垒模型,利用弱测量技术首次观测到了光子隧穿中自旋霍尔效应。实验证明光子隧穿效应不再是一个二维过程，而是一个三维的过程。同时还发现，光子自旋霍尔效应所产生的自旋位移值甚至大于势垒的宽度。研究结果不仅为光子隧穿效应的研究提供了新的思路，而且也为研制基于自旋的新型光电子器件提供了可能。
　　（2）通过引入轴耦合效应从理论上研究了拓扑绝缘体中的光子自旋霍尔效应。研究发现轴耦合效应能够显著影响光子自旋霍尔效应中的自旋-轨道耦合。不同于横向自旋相关分裂，平面内自旋相关分裂对于轴角的变化非常敏感。与此同时还研究了拓扑绝缘体中的磁光克尔效应。由于轴耦合效应的存在，磁光克尔效应中的偏振结构会受到光子自旋霍尔效应中自旋相关分裂的影响。最后，从理论上提出了一种弱测量的方法来对拓扑绝缘体中的轴耦合效应进行有效地探测。该工作提供了一种潜在的方法来测量拓扑绝缘体中的轴耦合效应，并为研究光与拓扑绝缘体之间的相互作用提供了新的思路。
　　（3）我们将光子自旋霍尔效应与实际应用紧密结合起来，首次提出利用光子自旋霍尔效应来测量纳米金属薄膜的厚度。首先建立了光子自旋霍尔效应中的自旋-轨道耦合与金属薄膜厚度之间的定量关系。研究发现自旋轨道耦合效应能够通过改变金属薄膜的厚度来进行有效的调控。而且在水平偏振且金属薄膜厚度比较薄的情况下，光子自旋霍尔效应的自旋位移值对金属薄膜厚度的变化极其敏感。因此，可以通过弱测量实验手段探测光子自旋霍尔效应中的自旋位移值来间接地表征金属薄膜厚度的改变。该工作开拓了光自旋霍尔效应在精密测量方面的潜在应用。
　　（4）现有的方法对于石墨烯层数的判定具有一定的局限性。在这项研究中，我们首次提出利用光子自旋霍效应来判断石墨烯的层数。首先从理论上建立了光子自旋霍尔效应自旋位移值与石墨烯层数之间的定量关系。然后通过弱测量的实验方法测量光子自旋霍效应自旋位移值的大小，由此来间接探测石墨烯层数的改变。这种方法能够有效地区分双层及一定范围内的多层石墨烯样品且不会对材料造成损坏。这一工作提供了一种方便且较准确的石墨烯层数判别方法，有效地提升了石墨烯层数判断的精度。
　　（5）从理论与实验上研究了光子自旋霍尔效应的最佳弱测量问题。研究发现，存在最佳的前选择与后选择叠加态使得弱测量放大倍数以及光子自旋霍尔效应放大后的自旋位移值达到最大。与以往不同的是，当前选择态与后选择态相互垂直时，弱测量的输出值无法趋于任意大而是变为零。研究结果不仅为提高弱测量的探测精度提供了可能，而且在精确探测不同物理系统结构参数上具有潜在的应用价值。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 光子自旋霍尔效应及其研究进展

1.3 弱测量技术简介

1.4 本文主要研究内容与基本框架

第2章 基本理论和研究方法

2.1 三维光束传输模型

2.2 光子自旋霍尔效应的理论计算

2.3 基于光子自旋霍尔效应的弱测量

2.4 本章小结

第3章 光隧穿中的自旋霍尔效应研究

3.1 引言

3.2 隧穿模型分析

3.3 光束在势垒中透射时的自旋霍尔效应

3.4 弱测量探测光隧穿中的自旋分裂

3.5 本章小结

第4章 拓扑绝缘体中的光子自旋霍尔效应研究

4.1 引言

4.2 光束在拓扑绝缘体中的反射模型

4.3 光束在拓扑绝缘体中的自旋霍尔效应及克尔旋转

4.4拓扑绝缘体中轴耦合效应的潜在测量方法

4.3 本章小结

第5章 基于光子自旋霍尔效应的弱测量用于金属薄膜的厚度测量

5.1 引言

5.2 理论分析

5.3 实验观测

5.4 实验结果分析

5.5 本章小结

第6章 基于光子自旋霍尔效应的弱测量判断石墨烯的层数

6.1 引言

6.2 理论分析

6.3 实验测量

6.4 实验结果讨论

6.5 本章小结

第7章 光子自旋霍尔效应的最佳弱测量研究

7.1 引言

7.2 光子自旋霍尔效应最佳弱测量理论

7.3 实验思路及结果分析

7.4 本章小节

结论

一、 本文工作总结

二、未来工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间已发表的论文

附录B 攻读博士学位期间所获奖励

附录C 攻读博士学位期间参与的相关课题