Электроны нарушили закон сохранения импульса при облучении светом
Физики из США неожиданно обнаружили, что падающие на поверхность золотой фольги фотоны притягивают свободные электроны, хотя закон сохранения импульса предсказывает другое направление тока. Чтобы получить «правильное» направление тока, ученым пришлось заполнить вакуумную камеру воздухом и облучить фольгу p-поляризованным лучом. Таким образом, большинство экспериментов по измерению аналогичного потока электронов придется пересмотреть. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org.
Закон сохранения импульса распространяется не только на механические столкновения тел, но и на отражение света от полированной поверхности металла. Проще всего смотреть на такое отражение как на механическое столкновение фотонов-частиц с частицами металла, однако аккуратный расчет в рамках классической электродинамики приводит к тому же закону сохранения. Очевидное следствие этого закона сохранения — это давление луча света, которое может сдвинуть с места тонкую металлическую пластинку. В начале XX века этот эффект исследовали сотни независимых экспериментов, причем одним из первых его проверил русский физик Петр Лебедев.
Особенно интересно рассмотреть рассеяние инфракрасных волн на поверхности благородных металлов — золота и серебра. Поскольку проводимость этих металлов почти целиком обусловлена свободными электронами, логично предположить, что эти электроны охотнее всего взаимодействуют со светом, а потом передают полученный импульс всему кристаллу. Следовательно, в небольшом слое около поверхности проводника должен течь небольшой ток, состоящий из отталкиваемых электронов. При этом из закона сохранения импульса следует, что поток электронов (не путать с электрическим током, который по определению течет в противоположную сторону) направлен перпендикулярно поверхности вдоль падающего луча света. Большинство экспериментов подтверждает это наивное соображение, однако в некоторых опытах направление тока получается обратным.
Группа физиков под руководством Генри Лезека (Henri Lezec) объяснила это противоречие и экспериментально показала, что при более внимательном рассмотрении интуитивное соображение оказывается неверным — падающие лучи света не отталкивают, а притягивают свободные электроны. Если металл находится в вакууме, то поток электронов пропорционален импульсу падающего пучка света и не зависит от поляризации света (что совпадает с теорией), но направлен к поверхности образца (что противоречит теории). Если же переместить ту же пластинку в воздух, то на поток электронов наложится ток от молекулярных адсорбатов, и результирующее направление тока изменится на противоположное. Таким образом, большинство экспериментов по измерению потока электронов придется пересмотреть.
В основе эксперимента, поставленного физиками, лежала тонкая отполированная золотая фольга (толщиной всего 35 нанометров), напыленная на поверхность кварцевого стекла. В качестве источника света ученые выбрали титан-сапфировый инфракрасный лазер с длиной волны 800 нанометров, энергией импульса пять миллиджоуль и продолжительностью импульса около 20 пикосекунд. С помощью поляризационных пластинок физики могли изменять поляризацию конечного пучка, падающего на фольгу. Кроме того, направляя пучок под разными углами, исследователи регулировали его поперечный импульс, а вместе с ним и величину ожидаемого потока электронов. Чтобы измерить едва заметное напряжение, которое генерирует этот поток, ученые подключили фольгу к усилителю. Чтобы увеличить импульс пучка, предварительно прошедшего сквозь стекло, ученые отшлифовали стекло до полукруглой формы. Наконец, ученые поместили прибор в вакуумную камеру, откачали воздух до давления 10−8 атмосфер и несколько часов просвечивали его ультрафиолетовой лампой, чтобы удалить из камеры остатки воды. На втором этапе наблюдений та же камера заполнялась воздухом при нормальном давлении, влажности 20 процентов и температуре 20 градусов Цельсия. Авторы статьи подчеркивают, что образованием квазичастиц-плазмонов в такой простой системе можно пренебречь, целиком сосредоточившись на потоке электронов.
Затем ученые измерили коэффициент передачи напряжения для разных конфигураций падающего луча, то есть коэффициент пропорциональности между генерируемым напряжением и средним импульсом падающих фотонов. Всего физики рассмотрели восемь случаев, которые определялись стороной пленки (чистой или «остекленной»), окружающей средой (вакуум или воздух) и поляризацией света (s- или p-поляризация). Теоретическое значение коэффициента, рассчитанное в рамках классической электродинамики, должно быть во всех случаях одинаковым и примерно равным −2,5 гигавольта на ньютон-секунду. На практике значения совпали с этим значением по порядку, но получились во всех восьми случаях разные. Более того, правильный знак физики получили только для одного случая — «голого», «неостекленного» бока пленки, помещенного в воздух и облученного p-волной.
Наконец, ученые попытались теоретически объяснить перепады коэффициента передачи напряжения. Во-первых, для этого физики заметили, что коэффициент зависит от окружения только при облучении p-поляризованной волной (в случае s-волны он изменяется всего на несколько процентов). Во-вторых, исследователи пронаблюдали за изменением коэффициента во время медленного заполнения камеры воздухом. После этого предварительного анализа ученые решили, что, вероятнее всего, зависимость можно списать на поглощение воды поверхностью золотой пленки. Впрочем, в будущем физики собираются исследовать этот вопрос более аккуратно. Как минимум, им придется объяснить «неправильный» знак коэффициента передачи напряжения.
В ноябре 2017 года мы писали о еще одном контринтуитивном эффекте, сопровождающем отражение света. Как правило, если посветить пучком света с круговой поляризацией на зеркало, поляризация луча изменится на противоположную. Однако американские физики построили необычное многослойное зеркало, которое не изменяет поляризацию падающих лучей: благодаря периодическому массиву несимметричных отверстий в одном из слоев, поляризованный свет, закрученный в одну сторону, полностью поглощается, а закрученный в другую — отражается с сохранением поляризации.
Дмитрий Трунин
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».