光的反射、散射、衍射等光学过程都会受光的自旋-轨道相互作用的影响，自旋-轨道相互作用的研究具有基础理论意义与实际应用价值。近年来，光子自旋霍尔效应引发了广泛的关注，其对材料参数非常敏感，结合量子弱测量技术，在物理参数测量、光学传感、量子成像等领域具有重要的应用前景。但是由于弱的自旋-轨道耦合，光束质心分裂在亚波长量级，为了更好的延伸其应用前景，研究者们渴望更大的可调谐的自旋位移分裂。
针对这个问题，近日华南师范大学王光辉团队在Nanophotonics上发表最新文章，提出在PT对称手性超材料中不仅可以得到半束腰的超大分裂，并且具有偏振控制、手性检测、条形码加密等应用价值。手性的出现导致了更加丰富的分裂现象（见图1），纵向和横向位移既相似又有区别，但是在文章中他们同时得到了应用。团队利用角谱理论和重构散射矩阵，在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，在任意复手性下分析了模型中新的相位变化规律，奇异点与自旋霍尔分裂的关系（见图2）。
该研究成果不仅总结了PT对称手性结构中的相位变化规律与自旋霍尔的关系，讨论了手性对自旋-轨道作用的影响，实现了超大的可调谐自旋霍尔分裂，并为未来在手性检测、奇异光学、光电通讯、量子加密等领域的研究与应用提供了新的方向。
图2 PT对称手性超结构中的新相位变化和自旋霍尔分裂
与电子霍尔效应相似，光子在不同介质的分界面上传输时会发生光子自旋霍尔效应，其中光的左右圆偏振扮演电子上下旋的角色，折射率梯度扮演外场的角色。追究光子自旋霍尔效应的本质，是光子自旋角动量与轨道角动量的相互转换。超材料是一类精心设计的亚波长结构，其具有常规材料所没有的奇特性质。PT对称超材料是平衡了增益和损耗的特殊结构，它具备了许多奇特的传输性质、例如单向无反射、相干完美吸收-激光模式等，已被应用于光学器件设计和电路设计领域中。而手性是描述物体不能叠加到其镜像的结构性质，它在自然界中普遍存在，因为具有特殊的旋光性和圆二向色性，产生了负折射，不对称透射等有趣的特性，也被用于宽频偏振、分子探测、偏振光探测等光学应用。
在非厄米系统中，探究手性对光-物质作用的研究较少，引入手性无疑让系统富有更多的特殊性质，产生新的效应。基于手性对左右旋圆偏振有不同的折射率，而光子自旋霍尔在折射率梯度下将左右旋偏振分裂，团队在圆偏振下讨论PT对称的散射情况。由于圆偏振是垂直偏振和平行偏振的叠加，PT对称相位变化中将产生新的“混合PT相位”。同时，光子自旋霍尔可作为非常有用且直观的计量工具来表征结构的物理性质。因此，在这样的PT对称手性超材料中必然会产生新的光自旋霍尔现象和相关应用。
鉴于以上讨论的PT对称手性超材料中的特殊性质和不寻常现象，研究人员推导出PT对称手性超材料中任意复手性的纵向和横向自旋分裂，分析了PT相位变化规律和光子自旋霍尔的关系，并利用此独特的现象提出了编码转换和条形码加密的新颖应用。基于推导的光子自旋霍尔位移表达式和求解新排列的散射矩阵本征值，在较弱的手性范围内，PT相位与混合PT相位交替出现，此时发现纵向和横向分裂都发生在EP1、EP3、EP4曲线附近。特别地，在EP3曲线附近的纵向和横向分裂的符号随手性正负改变，这是除了位移大小之外对它的方向调控（见图2）。这种自旋分裂可切换的现象具有实际的应用价值，例如，在材料方面，研究人员控制材料手性的正负，作为偏振器件和光开关等。相反，在光场中，观察光子自旋霍尔分析其材料参数和物理性质，特别地，由于与奇异点的对应关系，这里还可以研究非厄密系统中的奇异光学问题。
经过分析，由于纵向横向分裂与手性的特殊对应关系及丰富的自旋霍尔现象，团队结合量子弱测量技术设计出一套完整的编码转换系统。二进制编码规则简单，技术上易于实现，在计算机技术和通信领域得到了广泛的应用。以可控的手性和偏振态作为输入码，相应角度处的分裂位置作为输出码。在二进制编码转换方面，通过调控手性的实部和虚部编制输入码，利用纵向分裂调制出[0,1]、[1,0]的输出码。进一步地，利用横向分裂能完整实现[0,0]、[0,1]、[1,0]、[1,1]四个输出码。不仅如此，由于讨论的模型是四通道的散射系统，若将两位数的输入和输出结合并用，此系统还能延伸成为一套四位数的条形码（见图3）。只有知道本系统中的手性与光自旋霍尔分裂的独特规律，才能根据电荷耦合器的光斑位置读出相应加密的条形码。结合图3中的（a）（b）能读出“1110”和“1100” 的加密条形码，根据（c）（d）识别“1101”和“1111”码。
研究团队总结了新的PT相位变化规律与自旋霍尔位移的关系，并根据手性调控纵向和横向分裂，不仅得到了半束腰超大位移，更实现了编码转换和条形码加密的应用。研究团队在非厄密系统中引入手性实现了PT对称手性超材料，此模型不仅可以讨论光-物质相互作用与之产生新的效应，还有望在将来拓展到手性检测、光电通信、可调激光器件等发展领域。
该研究成果以“Chirality-modulated photonic spin Hall effect in PT-symmetry”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Chengkang Liang, Dongxue Liu, Rao Liu, Dongmei Deng, Guanghui Wang,其中Chengkang Liang为第一作者，Guanghui Wang副研究员为通讯作者。王光辉团队隶属于广东省华南师范大学纳米光子功能材料及器件重点实验室。
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