Wetenschappers van ITMO, Universiteit van Sheffield, en de Universiteit van IJsland bewezen dat de beweging van elektronen en fotonen in tweedimensionale materialen met hexagonale symmetrie, zoals grafeen, onderwerpt zich aan dezelfde wetten. Nutsvoorzieningen, de eigenschappen van elektronen in vaste stoffen kunnen worden gemodelleerd met behulp van klassieke optische systemen waar deze taak gemakkelijker kan worden opgelost. Het artikel is gepubliceerd in Natuurfotonica .

Grafeen is het meest bekende tweedimensionale materiaal, en het is duurzaam en heeft een hoge geleidbaarheid. Andre Geim en Konstantin Novoselov kregen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde voor de ontwikkeling ervan. Ondanks dat het 'licht, ' het is 300 keer sterker dan staal. Zijn unieke eigenschappen hebben te maken met zijn structuur. Het gedrag van elektronen in een materiaal hangt grotendeels af van de geometrie van het kristalrooster van de stof. In het geval van grafeen, koolstofatomen vormen hexagonale cellen, dus elektronen kunnen zich gedragen als deeltjes zonder effectieve massa, ondanks dat je in werkelijkheid massa hebt.

"Dit gedrag van elektronen in grafeen wordt beschreven door de wetten van de kwantummechanica, waarbij het elektron niet wordt waargenomen als een deeltje dat rond de atoomkern beweegt, maar als een materiële golf. Bepaalde eigenschappen van golven van verschillende fysieke aard zijn alleen afhankelijk van de symmetrie van een systeem. Hierdoor is het mogelijk om 'fotonisch grafeen' te maken. Het lijkt op een dunne transparante plaat die eruitziet als een honingraat. Als elektronen zich kunnen gedragen als deeltjes zonder massa in klassiek grafeen, hier, fotonen gedragen zich op een vergelijkbare manier, " legt Alexey Yulin uit, onderzoeker bij ITMO's Faculty of Physics and Engineering.

Wetenschappers uit Rusland, Engeland en IJsland gingen aan de slag om de dynamiek van massaloze elektronen met spin in grafeen te reproduceren met behulp van massaloos licht dat zich voortplant in een optisch systeem. Nadat we een optische tegenhanger van grafeen hebben gecreëerd, ze hebben de effecten bestudeerd die optreden bij het beïnvloeden met fotonen:het wordt opgewonden door een gerichte laseremissie die onder een bepaalde hoek valt. Een verandering in de invalshoek van licht dat op een fotonisch systeem valt, zorgde voor het ontstaan ​​van golven met de gewenste eigenschappen.

In het artikel, wetenschappers bestudeerden een geval waarin ze selectief massaloze fotonen in fotonisch grafeen aansloegen. De vergelijking van theorie en experiment toonde aan dat het voorgestelde wiskundige model de experimentele resultaten reproduceert. Ter vergelijking, ze hebben ook een geval bestudeerd waarin licht in fotonisch grafeen zich gedraagt ​​als gewone deeltjes met een massa die niet nul is.

In de loop van het experiment, de natuurkundigen ontdekten dat de polarisatie-effecten vergelijkbaar zijn met spin-effecten die welbekend zijn in de vastestoffysica. De wetenschappers bewezen ook de mogelijkheid om deze verschijnselen te beschrijven met behulp van vergelijkingen uit de klassieke natuurkunde. Nu kunnen de eigenschappen die moeilijk te meten of te controleren zijn in vaste stoffen worden bestudeerd met behulp van fotonische systemen waar deze taken relatief eenvoudig kunnen worden opgelost.

"Omdat de processen die plaatsvinden in regulier grafeen vergelijkbaar zijn met die in fotonische systemen, optische systemen kunnen worden gebruikt om de spindynamiek van elektronen te imiteren. Het bestuderen van spin-orbitale interacties in fotonisch grafeen kan leiden tot een beter begrip van vergelijkbare effecten die worden waargenomen in solid-state elektronica. Bovendien, de resultaten moedigen ons aan om dergelijke overeenkomsten in andere systemen te zoeken, bijvoorbeeld in akoestisch grafeen, " besluit Alexey Yulin.