二维原子晶体的光子自旋霍尔效应研究

发布时间：2020-05-30 11:06

【摘要】：光子在介质分界面上反射或折射时存在类似于电子自旋霍尔效应的光子自旋霍尔效应:在介质折射率梯度扮演的外场作用下,光束或波包沿垂直于折射率梯度方向发生自旋分裂。与电子自旋霍尔效应引发科学界对研制新的电子元器件的设想一样,光子作为当今时代信息和能量的重要载体,人们完全有理由期待光子自旋霍尔效应的研究将导致新型光子学器件的产生,并正在衍生出一门类似于自旋电子学的新学科——自旋光子学。近年来,各种物理系统中的光子自旋霍尔效应被广泛研究,但二维原子晶体的光子自旋霍尔效应研究较少。由于二维原子晶体只具有一层或者数层原子结构的特殊性,在如此小的厚度上绝大多数物理学特性、效应和参数的变化都很小,可以说是弱效应。另外,由于其尺度已经达到微观体系范围,各种量子效应已经出现甚至在特定条件下起到主导作用,给传统测量方法提出了挑战。本论文基于量子弱测量技术研究二维原子晶体的光子自旋霍尔效应,一方面揭示二维原子晶体中光子自旋霍尔效应的新特性、新规律,另一方面,对光子自旋霍尔效应的研究反过来又可发展面向二维原子晶体的量子弱测量理论,为二维原子晶体的研究发展一种简单、廉价、精密的测量方法。论文取得如下研究成果:(1)提出了一种改进的弱测量理论,用于探测波函数被干扰而发生形变时的光子自旋霍尔效应。建立了修正的弱测量理论模型,通过与实验结果比对,表明修正的弱测量理论的预测比传统弱测量理论更准确。修正后的理论不仅适用于光的自旋-轨道弱耦合作用产生的光子自旋霍尔效应,而且适用于强耦合、甚至强和弱之间的耦合状态下的光子自旋霍尔效应。这项研究对于在强测量或者一般弱测量都无法探测情况下的光子自旋霍尔效应研究有重要意义。(2)通过弱测量中的弱值放大效果,观测了石墨烯中微弱的Goos-H?nchen(GH)效应。理论得到了石墨烯中微小的GH位移表达式,实验实现了对GH位移的放大和测量,实验结果与理论结果对比,很好的验证了二维原子晶体零厚度模型的正确性。此外,研究发现,放大后的GH位移对石墨烯层数的变化十分敏感,从而可利用这个效应实现对石墨烯层数方便而精确地判别。(3)研究存在外部磁场情况下石墨烯衬底系统中的光子自旋霍尔效应,发现光子自旋霍尔效应的入射面内和横向自旋相关分裂表现出不同的量化行为。详细计算并分析了量化的入射面内和横向自旋分裂,表明量化的光子自旋霍尔效应可以描述为量化的几何相位(Berry相位)的结果,其又对应着量化的自旋-轨道相互作用。此外,提出了一种基于量子弱值放大的实验方案探测太赫兹频率范围内的量化的光子自旋霍尔效应。结合量子弱测量技术,量化的光子自旋霍尔效应很有希望实现对石墨烯中的量子霍尔电导率和Berry相位的测量,同时,这些研究有可能建立起石墨烯中电子自旋霍尔效应和光子自旋霍尔效应之间的关联。(4)光子自旋霍尔效应可以被看作是电子系统中电子自旋霍尔效应的直接的光学类似,其中折射率梯度起外场的作用。然而已经有实验证明,有效折射率不能充分解释只有原子级厚度晶体中的光和物质相互作用过程。我们研究二维原子晶体表面上的自旋-轨道相互作用,建立了不涉及有效折射率的物理模型,可准确描述二维原子晶体中的自旋-轨道相互作用和光子自旋霍尔效应。考虑悬空的二维原子晶体,我们在理论上预测了由光的强自旋-轨道相互作用产生的巨大的光子自旋霍尔效应,这个现象可解释为为了满足光子偏振的横向性,平面角谱分量出现大的偏振旋转造成的。
【图文】：

介质表面,反射和折射,定律

有限束宽的光束在介质表面反射或者折相互作用，会产生光子自旋霍尔效应。除此之外，通常IF 效应的产生。自从这些光束位移被发现以来，一直热点，特别是在一些特殊材料和结构下，比如多层结们会分别简单介绍这些光束位移的最初发展以及在二首先是介绍最先被发现的 GH 位移和 IF 位移，然后是得到的光子自旋霍尔效应。和 IF 位移简介年，荷兰科学家 Snell 就发现了光在介质表面发生折射名的 Snell 定律。后来的研究发现，这个定律对光的科学家 Fresnel 推导的 Fresnel 公式又准确地描述光的在传统的几何光学中，平面光波在两种介质表面反射定律和 Fresnel 公式描述。

相对介电常数,磁导率,介质,二维原子

二维原子晶体的光子自旋霍尔效应研究，有很多种方法很够实现负的 GH 位移。可以随意改变介质中的相对介电常数和的和的材料。这样，我们理论上可以应。考虑一般性，，图 1.2 中表示的是 TM吸收正折射率材料时所产生的 GH 位移的率两者都是正的时候，无论什么样的入介电常数和磁导率同时都为负的时候的。对于其它的情况，GH 位移的正负是折射率的介质，GH 位移很容易就会出现负
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O734

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