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, непрерывного изменения 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.
По информации https://nplus1.ru/news/2019/11/14/massive-photon-with-spin
Обозрение "Terra & Comp".
