光州科大开发光自旋霍尔效应测量技术

光州科学技术院（GIST，校长任基哲）近日宣布，该校机械机器人工程系金敏京教授团队与延世大学李多松教授、浦项工科大学（POSTECH）卢俊锡教授团队合作，成功开发出一项突破性技术。该技术利用元表面（Metasurface）实现了仅需单次成像即可实时精密测量光自旋霍尔效应的创新方法。这项具有高精度和即时检测特性的技术，有望在需要秒级响应检测物体表面变化的领域获得广泛应用。

光自旋霍尔效应是指光在物体表面反射或改变传播方向时，其能量中心发生的微小位移现象。这一效应是超精密光学元件和测量技术的核心原理，可应用于分束器、滤光片等多种光学器件。传统测量方法需通过偏振片（一种只允许特定偏振光通过的元件）对反射光进行滤波，并需多次旋转偏振片角度进行重复拍摄和图像合成，才能完成测量。

虽然传统方法能达到较高精度，但其无法满足实时监测快速变化表面的需求，因此在许多应用场景中存在局限性。研究团队创新性地利用元表面——一种由纳米级人工结构组成的阵列材料，其可精确调控光的偏振态和传播方向。通过特殊设计，元表面能同时实现两种不同偏振光的分离，并使其同步成像于相机的不同区域。通过分析两束光的相对位置差异，即可实现光自旋霍尔效应的单次精密测量。

在棱镜反射实验中，研究团队验证了新方法的有效性。结果显示，单次成像即可获得与传统方法相当的测量精度（测量范围2.5°至2.5°，间隔0.5°的传统方法需11次测量）。此外，通过旋转元表面可灵活调节测量灵敏度，研究人员成功构建了光自旋霍尔效应动态变化的环境，并实现了秒级实时监测。

▲技术对比图示
（上）传统方法需旋转偏振片多次测量
（中）元表面可同步分离两种偏振光
（下）通过两束光的相对位移计算效应值

▲测量系统模型与结果
（左）基于元表面的测量系统
（右）新旧方法测量结果对比

金敏京教授表示："传统方法因需重复测量而无法实时应用，我们的技术通过单次成像即可实现精密测量。这项突破将在化学、生物、医学等需要实时超灵敏检测的领域展现广泛应用前景。"

该研究由GIST、延世大学和POSTECH三校联合完成，GIST博士生李镇京、POSTECH综合课程生金在京、延世大学综合课程生沈相民为主要研究人员。研究获得韩国科学技术信息通信部、韩国研究财团等多个项目的支持，成果已于2025年3月19日发表于国际权威期刊《自然·通讯》。