第一作者：刘硕卿；通信作者：罗海陆 教授
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1 研究背景
2 论文亮点
图1 基于光子自旋霍尔效应的弱测量实现二维原子晶体参数表征。 (a) 石墨烯电导率的测量 [1]；(b) 光在石墨烯结构中传输的“零厚度模型”和“板模型”的判别 [2]
（2）模拟光学运算与图像边缘检测。与传统的数字计算方法相比，模拟光学运算利用光束传播过程中光子的变化实现信息处理，具有超快、大规模的操作并行性，以及极低的能耗。边缘检测作为光学图像处理和机器视觉中的基本工具，是模拟光学运算的最重要应用之一。将光子自旋霍尔效应与计算超表面结合，通过模拟微分运算可以实现具有可调谐分辨率的多功能宽带图像边缘检测，如图2所示。
图2 基于介电超表面中光子自旋霍尔效应的宽带边缘检测 [3]。(a) 实验装置图；(b) 超表面样品及边缘检测原理；(c) 不同照明波长下的宽带图像边缘处理结果；(d) 不同周期超表面对应的图像边缘处理结果
除了经典光源以外，量子光源照射超表面产生的自旋-轨道相互作用，同样在图像边缘检测中有着重要应用，如图3所示。通过远程切换纠缠光子对当中用于触发的光子的偏振状态，可以获得不同的成像效果，从而在4f系统中实现对常规模式和边缘检测模式成像的远程切换。与经典光学检测相比，基于纠缠光子的量子边缘检测和图像处理在相同的光子通量水平上表现出更高的噪声信号比[4]。此外，发展基于光子自旋霍尔效应的光学模拟运算，实现全光图像处理，在量子显微成像、人工智能等领域都具有重要的应用前景[5-8]。
图3 基于介电超表面中光子自旋霍尔效应的量子图像处理 [4]。(a) 实验装置图；(b) 量子边缘检测原理：触发臂的开关状态 OFF 和 ON分别导致CCD捕获一只普通实体猫和边缘增强的轮廓猫；(c) 边缘检测结果及其高信噪比
对光子自旋霍尔效应的探索为操纵光子自旋提供了新的自由度，从而进一步发展光子自旋霍尔器件以及相关应用，甚至可能形成一门新的学科：自旋光子学。
该工作以“Photonic spin Hall effect: fundamentals and emergent applications”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Science 2022年第7期。该工作受到国家自然科学基金、湖南省自然科学基金等项目支持。
研究团队简介
团队成员合照
罗海陆，湖南大学教授，博士生导师。2007年毕业于南京大学物理系，获得物理学博士学位。2009年创立自旋光子学实验室，长期从事的研究方向为：自旋光子学、光学模拟计算与全光图像处理、量子测量与量子成像；带领课题组在Physical Review Letters、PNAS、National Science Review、Science Advances、Light: Science & Applications等杂志发表论文100余篇。论文总被引用5600余次，H因子为39（Google Scholar）。入选爱思唯尔中国高被引学者（2020年, 2021年），研究成果获得教育部高等学校科学研究优秀成果奖（2020年，二等奖）。
论文原文
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