當光束在光學界面被反射（或折射）或在非均勻介質(zhì)中傳播時，具有相反自旋角動量的光子將相互分離，導致光的自旋相關分裂，這種現(xiàn)象稱為光子自旋霍爾效果（SHE）。光子SHE是一種基本的物理效應，它源于光的自旋-軌道相互作用。它可以看作是電子系統(tǒng)中的自旋霍爾效應的類比：光的右旋和左旋圓偏振分量分別扮演自旋上電子和自旋下電子的角色，折射率梯度扮演電位梯度的角色。光子SHE獨特的物理特性及其對光子的強大操縱能力使其成為現(xiàn)代光學研究的熱點，在精密計量、模擬光學處理、量子成像和顯微成像等領域具有廣泛的應用前景。

物理參數(shù)的精密計量

光子的SHE效應是一種微弱的效應，它產(chǎn)生的自旋相關位移通常只有亞波長的量級。量子弱測量的弱值放大機制為精確放大和測量這種微小位移提供了一種可行的方法。同時，由于光子SHE對光學系數(shù)的高靈敏度，它可以作為弱測量系統(tǒng)的探針，用于物理參數(shù)的精密測量。在現(xiàn)有的二維原子晶體的實驗測量中，如測定石墨烯的電導率[圖1(a)]和檢查石墨烯的光學模型[圖1(b)]，其測量精度可以比傳統(tǒng)方法提高兩個數(shù)量級。此外，自旋霍爾位移與化學溶液或生物分子的光學活性密切相關，因此它也可以作為一種精密的工具來開發(fā)超靈敏的傳感應用。

模擬光學計算和圖像邊緣檢測

模擬光學計算以光為載體，利用光束傳播中光子的變化來實現(xiàn)信息處理，具有高速、大規(guī)模運算固有的并行性，因此與傳統(tǒng)的數(shù)字處理相比具有優(yōu)越的集成能力。光學邊緣檢測是模擬光學計算的一個重要應用分支，它通過減少需要處理的數(shù)據(jù)量來提取圖像中有意義的信息，從而保留重要的幾何特征?；谟嬎愠砻娴墓庾覵HE，經(jīng)過一階空間微分，可實現(xiàn)分辨率可調(diào)的多功能寬帶圖像邊緣檢測(下圖)。

除了經(jīng)典光源外，量子光源的自旋-軌道相互作用在圖像邊緣檢測中也發(fā)揮著重要作用。如下圖所示，通過遠程切換糾纏光子對中用于觸發(fā)的光子偏振狀態(tài)，可以獲得不同的成像結(jié)果，從而實現(xiàn)規(guī)則模式和邊緣檢測模式的成像遠程切換。與經(jīng)典光學檢測相比，在相同的光子通量水平上，基于糾纏光子的量子邊緣檢測和圖像處理表現(xiàn)出更高的信噪比?；诠庾覵HE的模擬光學計算發(fā)展，實現(xiàn)全光學圖像處理，在顯微成像、量子成像、人工智能等領域也具有重要的應用前景。

光子SHE的研究為光子的操縱提供了獨特的自由度，推動了自旋霍爾器件的發(fā)展，甚至可以促進一門新興學科——自旋光子學的形成。

審核編輯：劉清