【摘要】：光子在介質(zhì)分界面上反射或折射時存在類似于電子自旋霍爾效應(yīng)的光子自旋霍爾效應(yīng):在介質(zhì)折射率梯度扮演的外場作用下,光束或波包沿垂直于折射率梯度方向發(fā)生自旋分裂。與電子自旋霍爾效應(yīng)引發(fā)科學(xué)界對研制新的電子元器件的設(shè)想一樣,光子作為當今時代信息和能量的重要載體,人們完全有理由期待光子自旋霍爾效應(yīng)的研究將導(dǎo)致新型光子學(xué)器件的產(chǎn)生,并正在衍生出一門類似于自旋電子學(xué)的新學(xué)科——自旋光子學(xué)。近年來,各種物理系統(tǒng)中的光子自旋霍爾效應(yīng)被廣泛研究,但二維原子晶體的光子自旋霍爾效應(yīng)研究較少。由于二維原子晶體只具有一層或者數(shù)層原子結(jié)構(gòu)的特殊性,在如此小的厚度上絕大多數(shù)物理學(xué)特性、效應(yīng)和參數(shù)的變化都很小,可以說是弱效應(yīng)。另外,由于其尺度已經(jīng)達到微觀體系范圍,各種量子效應(yīng)已經(jīng)出現(xiàn)甚至在特定條件下起到主導(dǎo)作用,給傳統(tǒng)測量方法提出了挑戰(zhàn)。本論文基于量子弱測量技術(shù)研究二維原子晶體的光子自旋霍爾效應(yīng),一方面揭示二維原子晶體中光子自旋霍爾效應(yīng)的新特性、新規(guī)律,另一方面,對光子自旋霍爾效應(yīng)的研究反過來又可發(fā)展面向二維原子晶體的量子弱測量理論,為二維原子晶體的研究發(fā)展一種簡單、廉價、精密的測量方法。論文取得如下研究成果:(1)提出了一種改進的弱測量理論,用于探測波函數(shù)被干擾而發(fā)生形變時的光子自旋霍爾效應(yīng)。建立了修正的弱測量理論模型,通過與實驗結(jié)果比對,表明修正的弱測量理論的預(yù)測比傳統(tǒng)弱測量理論更準確。修正后的理論不僅適用于光的自旋-軌道弱耦合作用產(chǎn)生的光子自旋霍爾效應(yīng),而且適用于強耦合、甚至強和弱之間的耦合狀態(tài)下的光子自旋霍爾效應(yīng)。這項研究對于在強測量或者一般弱測量都無法探測情況下的光子自旋霍爾效應(yīng)研究有重要意義。(2)通過弱測量中的弱值放大效果,觀測了石墨烯中微弱的Goos-H?nchen(GH)效應(yīng)。理論得到了石墨烯中微小的GH位移表達式,實驗實現(xiàn)了對GH位移的放大和測量,實驗結(jié)果與理論結(jié)果對比,很好的驗證了二維原子晶體零厚度模型的正確性。此外,研究發(fā)現(xiàn),放大后的GH位移對石墨烯層數(shù)的變化十分敏感,從而可利用這個效應(yīng)實現(xiàn)對石墨烯層數(shù)方便而精確地判別。(3)研究存在外部磁場情況下石墨烯襯底系統(tǒng)中的光子自旋霍爾效應(yīng),發(fā)現(xiàn)光子自旋霍爾效應(yīng)的入射面內(nèi)和橫向自旋相關(guān)分裂表現(xiàn)出不同的量化行為。詳細計算并分析了量化的入射面內(nèi)和橫向自旋分裂,表明量化的光子自旋霍爾效應(yīng)可以描述為量化的幾何相位(Berry相位)的結(jié)果,其又對應(yīng)著量化的自旋-軌道相互作用。此外,提出了一種基于量子弱值放大的實驗方案探測太赫茲頻率范圍內(nèi)的量化的光子自旋霍爾效應(yīng)。結(jié)合量子弱測量技術(shù),量化的光子自旋霍爾效應(yīng)很有希望實現(xiàn)對石墨烯中的量子霍爾電導(dǎo)率和Berry相位的測量,同時,這些研究有可能建立起石墨烯中電子自旋霍爾效應(yīng)和光子自旋霍爾效應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)。(4)光子自旋霍爾效應(yīng)可以被看作是電子系統(tǒng)中電子自旋霍爾效應(yīng)的直接的光學(xué)類似,其中折射率梯度起外場的作用。然而已經(jīng)有實驗證明,有效折射率不能充分解釋只有原子級厚度晶體中的光和物質(zhì)相互作用過程。我們研究二維原子晶體表面上的自旋-軌道相互作用,建立了不涉及有效折射率的物理模型,可準確描述二維原子晶體中的自旋-軌道相互作用和光子自旋霍爾效應(yīng)。考慮懸空的二維原子晶體,我們在理論上預(yù)測了由光的強自旋-軌道相互作用產(chǎn)生的巨大的光子自旋霍爾效應(yīng),這個現(xiàn)象可解釋為為了滿足光子偏振的橫向性,平面角譜分量出現(xiàn)大的偏振旋轉(zhuǎn)造成的。
【圖文】：

有限束寬的光束在介質(zhì)表面反射或者折相互作用，會產(chǎn)生光子自旋霍爾效應(yīng)。除此之外，通常IF 效應(yīng)的產(chǎn)生。自從這些光束位移被發(fā)現(xiàn)以來，一直熱點，特別是在一些特殊材料和結(jié)構(gòu)下，比如多層結(jié)們會分別簡單介紹這些光束位移的最初發(fā)展以及在二首先是介紹最先被發(fā)現(xiàn)的 GH 位移和 IF 位移，然后是得到的光子自旋霍爾效應(yīng)。和 IF 位移簡介 年，荷蘭科學(xué)家 Snell 就發(fā)現(xiàn)了光在介質(zhì)表面發(fā)生折射名的 Snell 定律。后來的研究發(fā)現(xiàn)，這個定律對光的科學(xué)家 Fresnel 推導(dǎo)的 Fresnel 公式又準確地描述光的在傳統(tǒng)的幾何光學(xué)中，平面光波在兩種介質(zhì)表面反射 定律和 Fresnel 公式描述。

二維原子晶體的光子自旋霍爾效應(yīng)研究，有很多種方法很夠?qū)崿F(xiàn)負的 GH 位移�？梢噪S意改變介質(zhì)中的相對介電常數(shù) 和的 和 的材料。這樣，我們理論上可以應(yīng)。考慮一般性，，圖 1.2 中表示的是 TM吸收正折射率材料時所產(chǎn)生的 GH 位移的率 兩者都是正的時候，無論什么樣的入介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率 同時都為負的時候的。對于其它的情況，GH 位移的正負是折射率的介質(zhì)，GH 位移很容易就會出現(xiàn)負
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O734

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本文編號：2688041