Физики наделили фотоны массой и магнитным моментом
Ученые создали систему, в которой свет ведет себя подобно электронам в твердом теле. Для этого они исследовали электромагнитные колебания в оптическом резонаторе, заполненном жидким кристаллом. При включении внешнего электрического поля свет приобретал эффективную массу и спин. Получившаяся система подходит для моделирования конденсированного состояния вещества, так как свойствами взаимодействия в данном случае можно управлять, пишут авторы в журнале Science.
В физике твердого тела и атомной физике важен релятивистский эффект спин-орбитального взаимодействия, который заключается в превращении постоянного электрического поля в лабораторной системе отсчета в магнитное поле при переходе в связанную с движущейся частицей систему отсчета. В результате возникает взаимодействие между появившимся полем и собственным магнитным моментом частицы (обычно электроном), которое может по-разному проявляться.
В частности, спин-орбитальное взаимодействие ответственно за расщепление спектральных линий, так как энергия электрона меняется в зависимости от ориентации его спина относительно внешнего. В случае кристаллических тел также может возникать похожее расщепление энергетических уровней при взаимодействии электрона проводимости с потенциалом решетки. Если это происходит у материалов без центральной симметрии, то говорят об эффекте Дресселгауза, а если причина заключается в глобальной асимметрии, как, например, в случае одноосных кристаллов, то говорят об эффекте Рашбы (или Рашбы — Бычкова). Вещества с такими свойствами считаются перспективными в контексте спинтроники и топологических изоляторов.
Аналог спин-орбитального взаимодействия возможен для света: в таком случае необходимо взаимодействие со структурами сравнимого с длиной волны размера, а роль спина играет поляризация. Эксперименты со светом в оптических микрорезонаторах позволяют изучать известные в физике твердого тела феномены, но из-за лучшего развития оптических технологий такой способ может быть удобнее. В частности, при заполнении полости микрорезонатора однородной средой расщепление энергии поперечных электрических и магнитных мод колебаний приводит к возникновению аналога спинового эффекта Холла.
Коллектив физиков из Польши и России при участии Павлоса Лагудакиса (Pavlos Lagoudakis) из Сколковского института науки и техники впервые получили аналогичное эффектам Дресселгауза и Рашбы поведение в оптической системе. Для этого авторы заполнили полость микрорезонатора жидким кристаллом с анизотропными оптическими свойствами, которыми можно управлять при помощи внешнего магнитного поля.
Эксперимент состоял в создании такой анизотропии среды, в которой энергии стоячих поперечных волн зависели от поляризации. Это было возможно, если колебания электрического поля в волне одной поляризации происходили вдоль выстроенных внешним полем длинных молекул жидкого кристалла, а другой поляризации — поперек них.
В результате электромагнитные колебания стали подчиняться уравнениям, характерным для электронов в твердом теле. В частности, они приобрели эффективную массу и магнитный момент, за который отвечало направление поляризации. Также для них стали выполняться эффекты Дресселгауза и Рашбы.
Авторы отмечают, что полученная система может стать удобным аналогом для исследования поведения электронов в твердых телах. Более того, непрерывное изменение параметров в данном случае позволяет систематически исследовать множество возможных конфигураций с целью поиска необычных эффектов.
Ранее оптический резонатор помог выявить квантовые движения в жидкости, наномеханический резонатор смог ухватить три режима затухания в сверхтекучем гелии, а продолжительность жизни фотона увеличили в шепчущей галерее.
Тимур Кешелава
Обычно рентгеноструктурный анализ требует сотен тысяч атомов
Химики из США, Китая и Франции использовали синхротронное излучение для характеризации отдельных ионов железа и тербия в составе комплексных соединений, нанесенных на поверхность золота. Ученые смогли детектировать электронные переходы этих атомов только тогда, когда тонкий металлический детектор располагался точно над атомами металлов. Исследование опубликовано в журнале Nature. Синхротронное излучение позволяет проводить рентгеноструктурные исследования на очень небольших образцах вещества, содержащих около 104 атомов. Но если для регистрации фотоэлектронов использовать очень тонкий металлический детектор, разрешение можно повысить еще сильнее — до всего нескольких десятков атомов в образце. Тем не менее детектировать сигналы от одиночных атомов ученые не умели до сих пор. Но недавно физики и химики под руководством Фолькера Розе (Volker Rose) использовали синхротрон APS в Аргоннской национальной лаборатории для проведения рентгеновского анализа отдельных атомов. Для этого ученые приготовили комплексы железа и тербия с замещенными пиридиновыми лигандами на поверхности золота. Первый эксперимент с синхротронным излучением ученые провели на поверхности с комплексами железа. Они разместили детектор на большом расстоянии (пять нанометров) от образца, при котором невозможно туннелирование фотоэлектронов между поверхностью и детектором. В полученной зависимости энергии фотоэлектронов от тока в детекторе химики наблюдали сигналы от электронных переходов всех ионов железа, расположенных вблизи детектора. В следующем эксперименте физики расположили детектор намного ближе к образцу — так, чтобы фотоэлектроны могли туннелировать. Во время эксперимента ученые обнаружили, что при движении детектора сигналы переходов меняются. Причем сигналы, соответствующие электронным переходам иона железа, появлялись только тогда, когда детектор располагался точно над ионом железа. Тот же самый эксперимент удалось провести и с комплексом тербия. И, как и в случае комплексов железа, сигналы от электронных переходов тербия возникали только при точном расположении детектора над его катионами. Далее ученые решили применить синхротронное излучение для анализа электронной структуры комплексов. Для этого они использовали спектроскопию рентгеновского поглощения в ближней к краю области и проанализировали тонкую структуру полученных сигналов. В результате оказалось, что железо в комплексе имело степень окисления +2, а тербий — +3. Кроме того, удалось выяснить, что 3d-орбитали иона железа взаимодействуют с лигандами, а 4f-орбитали тербия — нет. Так ученые показали, что синхротронное излучение и правильно спроектированный детектор позволяют проводить рентгеноструктурные исследования на отдельных атомах. При этом можно узнать не только то, где они расположены, но и выяснить детали их электронной структуры. Недавно мы рассказывали о том, как сибирские ученые создали клистрон для Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ). А прочитать подробнее про историю рентгеноструктурного анализа можно в нашем материале «Деплатформинг структур».