Forskare från ITMO, Sheffield University, och Islands universitet bevisade att elektronernas och fotons rörelse i tvådimensionella material med sexkantig symmetri, såsom grafen, underkastar sig samma lagar. Nu, elektronernas egenskaper i fasta ämnen kan modelleras med hjälp av klassiska optiska system där denna uppgift kan lösas lättare. Artikeln publicerades i Naturfotonik .

Grafen är det mest kända tvådimensionella materialet, och den är hållbar och har hög ledningsförmåga. Andre Geim och Konstantin Novoselov fick 2010 Nobelpriset i fysik för dess utveckling. Trots att det är "lätt" Det är 300 gånger starkare än stål. Dess unika egenskaper har att göra med dess struktur. Beteendet hos elektroner i ett material beror till stor del på geometrin hos ämnets kristallgitter. När det gäller grafen, kolatomer bildar hexagonala celler, så elektroner kan bete sig som partiklar med noll effektiv massa, trots att man har massa i verkligheten.

"Detta beteende hos elektroner i grafen beskrivs av kvantmekanikens lagar, där elektronen inte uppfattas som en partikel som rör sig runt en atoms kärna utan som en materiell våg. Särskilda egenskaper hos vågor av olika fysisk natur beror endast på ett systems symmetri. Detta gör det möjligt att skapa "fotonisk grafen". Den liknar en tunn genomskinlig tallrik som ser ut som en honungskaka. Om elektroner kan bete sig som partiklar utan massa i klassisk grafen, här, fotoner beter sig på ett liknande sätt, " förklarar Alexey Yulin, forskare vid ITMO:s fakultet för fysik och teknik.

Forskare från Ryssland, England och Island satte i uppdrag att reproducera dynamiken hos masslösa elektroner som snurrar i grafen med hjälp av masslöst ljus som sprider sig i ett optiskt system. Efter att ha skapat en optisk motsvarighet till grafen, de har studerat effekterna som uppstår när man påverkar den med fotoner:den exciteras av en fokuserad laseremission som faller under en specifik vinkel. En förändring i infallsvinkeln för ljus som faller på ett fotoniskt system gav uppkomsten av vågor med de önskade egenskaperna.

I artikeln, forskare studerade ett exempel när de selektivt exciterade masslösa fotoner i fotonisk grafen. Jämförelsen mellan teori och experiment visade att den föreslagna matematiska modellen återger experimentella resultat. För jämförelse, de har också studerat ett fall när ljus i fotonisk grafen beter sig som vanliga partiklar med en massa som inte är noll.

Under experimentets gång, fysikerna upptäckte att polarisationseffekterna liknar spinneffekter som är välkända inom fast tillståndets fysik. Forskarna bevisade också möjligheten att beskriva dessa fenomen med hjälp av ekvationer från den klassiska fysikens område. Nu kan de egenskaper som är svåra att mäta eller kontrollera i fasta ämnen studeras med hjälp av fotoniska system där dessa uppgifter kan lösas relativt enkelt.

"Tack vare att processerna som sker i vanlig grafen liknar dem i fotoniska system, optiska system kan användas för att imitera elektronernas spindynamik. Att studera spin-orbital-interaktioner i fotoniskt grafen kan leda till en bättre förståelse av liknande effekter som observeras i solid-state elektronik. Vad mer, resultaten uppmuntrar oss att leta efter sådana likheter i andra system, till exempel i akustisk grafen, "avslutar Alexey Yulin.