Ученые «подчинили» движение фотонов и электронов одним законам

Ученые Университета ИТМО, Университета Шеффилда (Великобритания) и Исландского университета доказали, что движение электронов и фотонов в двумерных материалах с гексагональной симметрией, таких как графен, подчиняется одним законам. Теперь свойства электронов в твердых телах можно моделировать с помощью классических оптических систем, где эта задача решается значительно легче. Статья опубликованав Nature Photonics.

Самый известный двумерный материал, который обладает высокой прочностью и электропроводностью, — это графен. За его открытие ученые Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Несмотря на свою «легкость», он в 300 раз прочнее стали. Уникальные свойства связаны с его структурой. Поведение электронов в материале во многом определяется «геометрией» кристаллической решетки вещества. В случае с графеном, атомы углерода образуют шестиугольные ячейки. Благодаря этому электроны в материале могут вести себя как частицы с нулевой эффективной массой, хотя в реальности масса у них есть.

«Такое поведение электронов в графене описывается с помощью законов квантовой механики, где электрон рассматривается не как частица, движущаяся вокруг ядра атома, а как волна материи. Определенные свойства волн разной физической природы зависят исключительно от симметрии системы. Это дает возможность сделать “фотонный графен”. Он похож на тонкую прозрачную пластину, которая сверху выглядит как пчелиные соты. Если в классическом графене могут распространяться электроны, то здесь – фотоны, также ведущие себя как безмассовые частицы», – рассказывает научный сотрудник Нового Физтеха Университета ИТМО Алексей Юлин.

Ученые из России, Англии и Исландии поставили перед собой задачу — воспроизвести динамику безмассовых электронов, обладающих спином (т.е. собственным моментом частицы), в графене с помощью безмассового света, распространяющегося в оптической системе. Создав оптический аналог графена, они изучили эффекты, возникающие при воздействии на него фотонами: он возбуждался сфокусированным лазерным излучением, падающим под определенными углами. Изменение угла падения света на фотонный кристалл обеспечивало возникновение в нем волн с требуемыми свойствами. 

В работе был подробно изучен случай, когда в фотонном графене происходило селективное возбуждение безмассовых фотонов. Сопоставление теории и эксперимента показало, что предложенная математическая модель хорошо воспроизводит экспериментальные результаты. Для сравнения был исследован случай, когда свет в фотонном графене ведет себя подобно обычным частицам с ненулевой массой.

В ходе экспериментов физики обнаружили, что поляризационные эффекты похожи на спиновые, хорошо известные в физике твердого тела. Также ученые доказали возможность описания этих явлений с помощью уравнений из классической физики. Теперь те свойства, которые трудно измерять или контролируемо изменять в твердом теле, можно исследовать в фотонных системах, где эти задачи решаются значительно легче.

«За счет того, что процессы, происходящие в обычном графене, схожи с процессами в фотонных системах, с помощью оптических систем можно, например, имитировать спиновую динамику электронов. Изучение спин-орбитальных взаимодействий в фотонном графене может привести к более глубокому пониманию аналогичных эффектов, наблюдаемых в твердотельной электронике. Более того, полученные выводы подталкивают нас к поиску таких же аналогий и в других системах, например, таких как акустический графен», – заключает Алексей Юлин.

Источник https://scientificrussia.ru/articles/uchenye-podchinili-dvizhenie-fotonov-i-elektronov-odnim-zakonam