基于光子自旋霍尔效应的弱测量探测透明介质中的光子动量

The determination of the photon momentum in a transparent dielectric is the famous controversy in theoretical physics. There are two types of photon momentum. The one was proposed by Minkowski in 1908. Here, the photon momentum in transparent is nE/c. The other one suggested that the photon momentum is E/(nc) which was proposed by Abraham in 1909. Many researchers want to clarify these two momenta, but the results are not clear. The key reason is that the normal experiment can not avoid the impact of material momentum, which brings many uncertainties. The weak measurements can decrease the impacts of instrument on system, which may decrease the impact of material momentum. Additionally, the spin splitting in photonic spin Hall effect are sensitive to the photon momentum and the preselection and postselection in weak measurements can significantly increase the measurement accuracy. Based on the advantages of weak measurements, we proposed using the photonic spin Hall effect based on weak measurements to detect the photon momentum in transparent. These findings may clarify the Abraham-Minkowski dilemma of photon momentum in transparent media, but also open the possibility for developing new photon momentum based photonic devices.

透明介质中的光子动量判定是理论物理学中的著名争论之一，其中存在两种观点：一种是1908年 Minkowski提出，光子的动量为nE/c；另一种是1909年Abraham提出，光子的动量为 E/(nc)。研究工作者们一直试图从实验中验证其中一种动量的正确性，但不同的实验支持不同的观点。其关键科学问题在于以往的实验不能有效地避免物质动量的影响，从而给测量带来了不确定因素。基于弱测量技术中的弱相互作用能够尽可能地减少测量对物理系统的影响，从而有效地减小测量所带来的物质动量影响。此外，光子自旋霍尔效应中的自旋分裂对光子动量具有高度的敏感特性且弱测量中的前选择和后选择技术能够显著地提高测量精度。基于这些优越性，我们提出基于光子自旋霍尔效应的弱测量来探测透明介质中的光子动量。研究结果不仅为澄清透明介质中光子动量之争的物理学"百年难题"提供理论和实验证据，而且可能发展基于光子动量的新型光子学器件。

介质中的光子线动量与角动量是光物理学中的重要的主题。研究工作者们一直试图从实验中测量光子的线性动量与角动量。其关键科学问题在于以往的实验不能有效地避免物质动量的影响，从而给测量带来了不确定因素。基于弱测量技术中的弱相互作用能够尽可能地减少测量对物理系统的影响，从而有效地减小测量所带来的物质动量影响。此外，光子自旋霍尔效应中的自旋分裂对光子动量具有高度的敏感特性且弱测量中的前选择和后选择技术能够显著地提高测量精度。基于这些优越性，我们基于光子自旋霍尔效应的弱测量来探测透明介质中的光子动量与角动量。我们发现，在二维原子晶体中我们不需要引入有效折射率来描述光的自旋-轨道相互作用与光子自旋霍尔效应。我们从理论上预言了强的光子自旋-轨道相互作用与巨的光子自旋霍尔效应，它们可以归因于光子偏振的横向条件。研究结果不仅为澄清透明介质中光子动量提供理论和实验证据，而且可能发展基于光子动量的新型光子学器件。