Ученые из России, Великобритании и Исландии доказали, что движение электронов и фотонов в двумерных материалах с гексагональной симметрией, таких как графен, подчиняется одним законам. Теперь свойства электронов в твердых телах можно моделировать с помощью классических оптических систем, где эта задача решается значительно легче.

Статья опубликована в журнале Nature Photonics.

Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Шеффилдского и Исландского университетов воспроизвели динамику безмассовых электронов с помощью света, распространяющегося в оптической системе. Исследователи создали оптический аналог графена и изучили эффекты, возникающие при воздействии на него фотонов. Для этого они возбуждали графен сфокусированным лазерным излучением, падающим под определенными углами. Изменение угла падения света на фотонный кристалл обеспечивало возникновение в нем волн с требуемыми свойствами.

«За счет того, что процессы, происходящие в обычном графене, схожи с процессами в фотонных системах, с помощью оптических систем можно, например, имитировать спиновую динамику электронов. Изучение спин-орбитальных взаимодействий в фотонном графене может привести к более глубокому пониманию аналогичных эффектов, наблюдаемых в твердотельной электронике. Более того, полученные выводы подталкивают нас к поиску таких же аналогий и в других системах, например таких, как акустический графен», — рассказывает один из авторов работы Алексей Юлин.

Графен — самый известный двумерный материал, обладающий высокой прочностью и электропроводностью. Он очень легкий и в 300 раз прочнее стали, эти уникальные свойства связаны с его структурой. В графене атомы углерода образуют шестиугольные ячейки, благодаря чему электроны ведут себя как частицы с нулевой эффективной массой, хотя на самом деле масса у них есть.

Такое поведение электронов описывает квантовая механика, где электрон рассматривается как волна материи. Определенные свойства волн разной физической природы зависят исключительно от симметрии системы. Это дает возможность сделать фотонный графен, похожий на тонкую прозрачную пластину, которая сверху выглядит как пчелиные соты. Если в классическом графене могут распространяться электроны, то здесь — фотоны, также ведущие себя как безмассовые частицы.

Авторы подробно рассмотрели случай, когда в графене происходило селективное возбуждение безмассовых фотонов. Сопоставление теории и эксперимента показало, что предложенная математическая модель хорошо воспроизводит экспериментальные результаты. Для сравнения был исследован случай, когда свет в фотонном графене ведет себя подобно обычным частицам с ненулевой массой. Ученые обнаружили, что поляризационные эффекты похожи на спиновые, и доказали возможность описания этих явлений с помощью уравнений из классической физики.