Controllo dello spostamento di fase di Hall nello spin ottico

May 28, 2023

Rapporti scientifici volume 5, numero articolo: 13900 (2015) Citare questo articolo

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L'effetto Spin Hall della luce è uno spostamento trasversale dipendente dallo spin del raggio ottico che si propaga lungo una traiettoria curva, dove il gradiente dell'indice di rifrazione gioca un ruolo del campo elettrico nell'effetto Spin Hall dei sistemi a stato solido. Per osservare lo spostamento di Hall dello spin ottico in una rifrazione che avviene all'interfaccia aria-vetro, era necessaria una tecnica di amplificazione come la misurazione della debolezza quantistica. Nella metasuperficie con discontinuità di fase (PMS) avviene un rapido cambiamento di fase lungo la metasuperficie su una distanza inferiore alla lunghezza d'onda, che porta a un ampio gradiente dell'indice di rifrazione per il fascio di rifrazione consentendo un rilevamento diretto dello spostamento di Hall dello spin ottico senza amplificazione. Qui, identifichiamo che lo spostamento di Hall dello spin ottico relativo dipende dall'angolo di incidenza in PMS e dimostriamo un controllo dello spostamento di Hall dello spin ottico costruendo una misurazione di valore debole con un ritardo di fase variabile nella post-selezione. La capacità di controllo dello spostamento di Hall dello spin ottico consente una metrologia di precisione sintonizzabile applicabile alla fotonica su scala nanometrica come il trasferimento e il rilevamento del momento angolare.

Secondo la descrizione di Maxwell, la trasversalità è una proprietà fondamentale dell'onda elettromagnetica. In un fascio ottico che si propaga lungo una traiettoria curva, la trasversalità risulta nell'interazione spin-orbita, che è un esempio di interazione Hamiltoniana che accoppia sistemi lenti e veloci. Un accoppiamento di sistemi lenti e veloci porta ad effetti reciproci di azione e reazione tra i due sistemi, che sono descritti coerentemente in termini di fase Berry e curvatura1,2. Inoltre, la presenza di un punto degenere nella relazione di dispersione energia-momento della luce consente l'introduzione del monopolo magnetico topologico nella descrizione dell'interazione spin-orbita3,4.

Nell'interazione spin-orbita di un raggio ottico lungo una traiettoria curva, la traiettoria del raggio e lo spin ottico corrispondono rispettivamente al sistema lento e al sistema veloce. La rotazione del piano di polarizzazione della luce lungo una fibra ottica a spirale risulta dall'effetto di una traiettoria curva del raggio (lenta) sullo spin ottico (veloce), che è una manifestazione della fase Berry nella polarizzazione della luce5. D'altra parte, l'effetto dello spin ottico (veloce) su una traiettoria curva del raggio (lenta) dà origine a uno spostamento trasversale dipendente dallo spin del baricentro del raggio ottico, cioè l'effetto Hall di spin della luce (SHEL)6,7. La traiettoria del fascio è descritta dalla forza di Lorentz nello spazio della quantità di moto, dove è il gradiente dell'indice di rifrazione ed è la curvatura topologica di Berry del monopolo magnetico associata al fascio ottico di spin λ8,9,10.

Nell'interfaccia aria-vetro, la grandezza di non è sufficientemente grande e per ottenere un'immagine che mostri lo spostamento trasversale di Hall con spin ottico, è stato necessario adottare un prisma moltiplicatore per avere più riflessioni interne totali7. Nel caso della rifrazione all'interfaccia aria-vetro, una rilevazione diretta dello spostamento trasversale dipendente dallo spin non era facilmente fattibile e per l'osservazione è stata adottata una tecnica di amplificazione della misurazione debole, dove viene impiegato un polarizzatore/analizzatore quasi incrociato per amplificare lo spin ottico Hall spostamento mediante una misurazione quantistica debole11,12.

L'osservazione diretta dello spostamento di Hall dello spin ottico in campo lontano è stata realizzata in strutture ottiche artificiali come una serie di aperture rettangolari plasmoniche e metasuperfici a gradiente dielettrico13,14. Al contrario, in una metasuperficie con discontinuità di fase (PMS) composta da una serie di antenne a forma di V, un rapido cambiamento di fase lungo la metasuperficie su una distanza inferiore alla lunghezza d'onda porta ad un ampio gradiente di indice di rifrazione per le luci di diffusione polarizzate incrociate15. L'entità dello spostamento trasversale SHEL è dell'ordine di poche centinaia di nanometri nel campo spettrale del vicino IR, che è stato rilevato direttamente senza ricorrere a una debole tecnica di amplificazione della misurazione16.