Fysikere lykkes med at bringe bevægelse af fotoner og elektroner under de samme love

Forskere fra ITMO, Sheffield University, og Islands Universitet beviste, at bevægelsen af ​​elektroner og fotoner i todimensionelle materialer med sekskantet symmetri, såsom grafen, underkaster sig de samme love. Nu, elektronernes egenskaber i faste stoffer kan modelleres ved hjælp af klassiske optiske systemer, hvor denne opgave lettere kan løses. Artiklen blev offentliggjort i Natur fotonik .

Grafen er det mest berømte todimensionelle materiale, og det er holdbart og har høj ledningsevne. Andre Geim og Konstantin Novoselov fik 2010 Nobelprisen i fysik for udviklingen. På trods af at det er 'let', ' det er 300 gange stærkere end stål. Dens unikke egenskaber har at gøre med dens struktur. Elektronernes opførsel i et materiale afhænger i høj grad af geometrien af ​​stoffets krystalgitter. I tilfælde af grafen, kulstofatomer danner sekskantede celler, elektroner kan således opføre sig som partikler med nul effektiv masse, på trods af at have masse i virkeligheden.

"Denne opførsel af elektroner i grafen er beskrevet af kvantemekanikkens love, hvor elektronen ikke opfattes som en partikel, der bevæger sig rundt i et atoms kerne, men som en materiel bølge. Særlige egenskaber ved bølger af forskellig fysisk natur afhænger kun af et systems symmetri. Dette gør det muligt at skabe 'fotonisk grafen'. Det ligner en tynd gennemsigtig plade, der ligner en honningkage. Hvis elektroner kan opføre sig som partikler uden masse i klassisk grafen, her, fotoner opfører sig på samme måde, " forklarer Alexey Yulin, forsker ved ITMOs Fakultet for Fysik og Teknik.

Forskere fra Rusland, England og Island satte sig til opgave at reproducere dynamikken i masseløse elektroner, der har spin i grafen, ved hjælp af masseløst lys, der forplanter sig i et optisk system. Efter at have skabt et optisk modstykke til grafen, de har undersøgt de virkninger, der opstår, når man påvirker det med fotoner:det exciteres af en fokuseret laseremission, der falder under en bestemt vinkel. En ændring i indfaldsvinklen for lys, der falder på et fotonisk system, sørgede for fremkomsten af ​​bølger med de ønskede egenskaber.

I artiklen, videnskabsmænd studerede et tilfælde, hvor de selektivt exciterede masseløse fotoner i fotonisk grafen. Sammenligningen af ​​teori og eksperiment viste, at den foreslåede matematiske model gengiver de eksperimentelle resultater. Til sammenligning, de har også studeret et tilfælde, hvor lys i fotonisk grafen opfører sig som regulære partikler med en masse, der ikke er nul.

I løbet af forsøget, fysikerne opdagede, at polarisationseffekterne ligner spin-effekter, der er velkendte i faststoffysik. Forskerne beviste også muligheden for at beskrive disse fænomener ved hjælp af ligninger fra den klassiske fysik. Nu kan de egenskaber, der er svære at måle eller kontrollere i faste stoffer, studeres ved hjælp af fotoniske systemer, hvor disse opgaver kan løses relativt nemt.

"Takket være de processer, der finder sted i almindelig grafen, ligner dem i fotoniske systemer, optiske systemer kan bruges til at efterligne elektroners spindynamik. At studere spin-orbitale interaktioner i fotonisk grafen kan føre til en bedre forståelse af lignende effekter observeret i solid-state elektronik. Hvad mere er, resultaterne tilskynder os til at lede efter sådanne ligheder i andre systemer, for eksempel i akustisk grafen, " slutter Alexey Yulin.