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Wave-Vector-Varying Pancharatnam-Berry Phase Photonic Spin Hall Effect
Physical Review Letters ( IF 8.385 ) Pub Date : 2021-02-22 , DOI: 10.1103/physrevlett.126.083901
Wenguo Zhu; Huadan Zheng; Yongchun Zhong; Jianhui Yu; Zhe Chen

The geometric Pancharatnam-Berry (PB) phase not only is of physical interest but also has wide applications ranging from condensed-matter physics to photonics. Space-varying PB phases based on inhomogeneously anisotropic media have previously been used effectively for spin photon manipulation. Here we demonstrate a novel wave-vector-varying PB phase that arises naturally in the transmission and reflection processes in homogeneous media for paraxial beams with small incident angles. The eigenpolarization states of the transmission and reflection processes are determined by the local wave vectors of the incident beam. The small incident angle breaks the rotational symmetry and induces a PB phase that varies linearly with the transverse wave vector, resulting in the photonic spin Hall effect (PSHE). This new PSHE can address the contradiction between spin separation and energy efficiency in the conventional PSHE associated with the Rytov-Vladimirskii-Berry phase, allowing spin photons to be separated completely with a spin separation up to 2.2 times beam waist and a highest energy efficiency of 86%. The spin separation dynamics is visualized by wave coupling equations in a uniaxial crystal, where the centroid positions of the spin photons can be doubled due to the conservation of the angular momentum. Our findings can greatly deepen the understanding in the geometric phase and spin-orbit coupling, paving the way for practical applications of the PSHE.

中文翻译:

波向量变化的Pancharatnam-Berry相光子自旋霍尔效应

几何的Pancharatnam-Berry(PB)相不仅具有物理意义,而且具有广泛的应用范围,从凝聚态物理到光子学。基于非均质各向异性介质的时空PB相先前已被有效地用于自旋光子操纵。在这里,我们演示了一种新颖的波矢量变化PB相,该相自然地发生在具有较小入射角的近轴光束的均匀介质的传输和反射过程中。透射和反射过程的本征极化状态由入射光束的局部波矢量确定。小入射角破坏了旋转对称性,并导致PB相随横向波矢量线性变化,从而导致光子自旋霍尔效应(PSHE)。这种新的PSHE可以解决与Rytov-Vladimirskii-Berry相相关的常规PSHE中自旋分离和能量效率之间的矛盾,允许自旋光子以高达2.2倍束腰的自旋分离和最高的能量效率完全分离。 86%。自旋分离动力学通过单轴晶体中的波耦合方程可视化,由于角动量的守恒,自旋光子的质心位置可以加倍。我们的发现可以极大地加深对几何相位和自旋轨道耦合的理解,为PSHE的实际应用铺平道路。束腰的2倍,最高能量效率为86%。自旋分离动力学通过单轴晶体中的波耦合方程可视化,由于角动量的守恒,自旋光子的质心位置可以加倍。我们的发现可以极大地加深对几何相位和自旋轨道耦合的理解,为PSHE的实际应用铺平道路。束腰的2倍,最高能量效率为86%。自旋分离动力学通过单轴晶体中的波耦合方程可视化,由于角动量的守恒,自旋光子的质心位置可以加倍。我们的发现可以极大地加深对几何相位和自旋轨道耦合的理解,为PSHE的实际应用铺平道路。
更新日期:2021-02-22
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