Физики объяснили влияние закрученного света на спин электронов

Международная группа физиков-теоретиков показала, что предсказанная недавно возможность влиять на спины электронов закрученным светом может быть выведена на основе одного из фундаментальных уравнений современной физики — уравнения Дирака. Соответствующий математический вывод приведен в статье, опубликованной в журнале Physical Review B.

Два года назад в ведущем научном физическом журнале Physical Review Letters вышла удивительная статья сотрудников университета Арканзаса (США), в которой предсказывалось наличие взаимодействия между орбитальным моментом света, распространяющегося в среде, и магнитным моментом этой среды. Несмотря на то, что предсказание было основано на анализе относительно простых и давно известных классических уравнений, до 2013 года никто, по всей видимости, на наличие этого взаимодействия внимания не обращал.

Магнитным моментом среды называется величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Возникновение магнитного момента в веществе может быть вызвано или вращением заряженных частиц (обычно электронов) в нем, или собственным магнитным моментом этих частиц — так называемым спином.

Известно также, что если в веществе распространяется свет, имеющий ненулевой орбитальный момент (такая световая волна имеет необычную закрученную структуру, подробнее о которой можно почитать, например, здесь), то он может передать этот момент среде, придав вращение ей и составляющим ее частицам. На этом явлении основана работа, например, оптических «гаечных ключей» (спаннеров), позволяющих при помощи лазерных импульсов закручивать микрообъекты.

Но если свет может закрутить среду, то он может закрутить и электроны в этой среде, создав тем самым магнитный момент. Именно это и было показано в опубликованной работе. Однако, в ней делалось и более сильно утверждение: с помощью закрученного света можно управлять и собственными магнитными моментами электронов, спинами, которые не связаны ни с какими механическими вращениями.

Это утверждение, однако, было сделано на основе исключительно соображений симметрии и неких общих формул электродинамики. Физическая же природа этого взаимодействия была ясна не до конца. Чтобы решить эту проблему, два автора статьи в Physical Review Letters совместно с группой теоретиков из университета Уппсалы (Швеция) и университета Париж-Сакле (Франция) рассмотрели вывод предсказанного взаимодействия из уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой физики, описывающего движение электрона с учетом наличия у него спина, а также релятивистских эффектов. Этот вывод и был опубликован в новой статье.

Оказалось, что связь между орбитальным моментом света и спином электрона, которое авторы называют орбитальным магнитоэлектрическим, во многом аналогична хорошо известному в атомной физике спин-орбитальному взаимодействию между спином электрона и его вращательным движением. Так же как и спин-орбитальное, орбитальное магнитоэлектрическое взаимодействие является чисто релятивистским эффектом, не требующим, однако, чтобы скорость частицы была близка к скорости света.

Орбитальное магнитоэлектрическое взаимодействие, по утверждению авторов работы, может объяснить многие уже известные магнитооптические эффекты, в том числе и те, которые до этого оставались не понятыми детально. Например, она объясняет существование так называемой спин-токовой модели в мультиферроиках, позволяющей управлять магнитными свойствами вещества при помощи электрических полей или наоборот, диэлектрическими свойствами при помощи магнитных полей.

То же взаимодействие дает вклад и в еще один важный эффект — возникновение магнитного поля при прохождении через вещество закрученного света. Это явление, известное как обратный эффект Фарадея, вызывает в последние годы повышенный интерес в связи с перспективностью его использования для сверхбыстрой магнитной памяти.

Пользуясь предсказанным новым типом магнито-оптического взаимодействия, авторы объясняют также и более традиционные эффекты, такие как плоский и аномальный эффекты Холла, а также анизотропное магнетосопротивление в ферромагнетиках. Это позволяет ожидать, что их работы будут полезны в стремительно развивающейся в наши дни спинтронике, в рамках которой разрабатываются принципиально новые способы передачи, хранения и управления информацией. Пока, однако, если судить по цитируемости обсуждаемых работ, большого интереса у других ученых они не вызвали.

Артем Коржиманов