Считалось, что свет движется с фиксированной скоростью до 1851 года, когда французский физик — первый, кто точно измерил скорость света — показал, что его также можно замедлить или ускорить, просто направив луч света вместе с потоком движущейся воды или против него. Спустя десятилетия Эйнштейн воспользовался знаковыми экспериментами Ипполита Физо с водопроводом при разработке своей теории относительности.
Теперь, новое исследование в природе показывает , что квазичастица сделаная из волн фотонов и электронов плазмона-поляритон-имеет аналогичную способность к изменению скорости при погружении в электрический ток, протекающем через лист графена. Но есть загвоздка: кажется, что поляритоны легче переключают передачи в одном направлении — с немного меньшей скоростью — при движении против потока электронов.
Это открытие имеет большое значение для плазмоники, области с именем рок-звезды, посвященной поиску новых и эффективных способов управления светом в почти невидимом масштабе отдельных атомов — для оптических вычислений, нанолазеров и других приложений, включая импринтинг паттернов. в полупроводники. У поляритонов есть два преимущества. Их относительно низкая скорость по сравнению с фотонами делает их хорошим помощником для управления светом. Поляритонные волны также незначительны; десятки могут втиснуться в длину волны одного фотона.
Дмитрий Басов , профессор физики из Колумбийского университета, посвятил большую часть своей лаборатории изучению их поведения. «Поляритоны обладают лучшими достоинствами электронов и фотонов», — сказал он. «Они компактные, но все же квантовые, что означает, что ими можно манипулировать в сверхбыстрых временных масштабах».
Аспиранты Колумбийского университета Линь Сюн (слева) и Иинан Донг снимают поляритоны с помощью криогенного микроскопа. (Источник: Инань Донг)
В недавнем исследовании Nature Басов и его коллеги воссоздали эксперименты Физо с частицей графена, состоящей из одного слоя атомов углерода. Подключив графен к батарее, они создали электрический ток, напоминающий воду Физо, текущую по трубе. Но вместо того, чтобы направить свет на движущуюся воду и измерить ее скорость в обоих направлениях, как это делал Физо, они сгенерировали электромагнитную волну сжатой длины — поляритон — путем фокусировки инфракрасного света на золотом выступе в графене. Активированный поток поляритонов выглядит как свет, но физически более компактен из-за своей короткой длины волны.
Исследователи измерили скорость поляритонов в обоих направлениях. Когда они путешествовали с потоком электрического тока, они сохраняли свою первоначальную скорость. Но при запуске против течения они замедлились на несколько процентных пунктов.
Неожиданный результат
«Мы были удивлены, когда увидели это», — сказал соавтор исследования Денис Бандурин , физик из Массачусетского технологического института. «Во-первых, устройство все еще было живым, несмотря на сильный ток, который мы пропустили через него — оно не взорвалось. Затем мы заметили односторонний эффект, который отличался от оригинальных экспериментов Физо ».
Исследователи повторяли эксперименты снова и снова, во главе с первым автором исследования Иинаном Донгом, аспирантом Колумбийского университета. Наконец до них дошло. «Графен — это материал, который превращает электроны в релятивистские частицы», — сказал Донг. «Нам нужно было учитывать их спектр ».
Группа из лаборатории Беркли нашла аналогичный результат, опубликованный в том же номере журнала Nature . Помимо воспроизведения эффекта Физо в графене, оба исследования имеют практическое применение. Большинство природных систем симметричны, но здесь исследователи обнаружили любопытное исключение. Басов сказал, что надеется замедлить и, в конечном итоге, перекрыть поток поляритонов в одном направлении. Это непростая задача, но за нее можно будет получить большие награды.
«Очень сложно разработать систему с односторонним потоком света», — сказал Милан Делор , физик-химик, работавший над взаимодействием света и вещества в Колумбии, но не принимавший участия в исследовании. «Как только вы сможете контролировать скорость и направление поляритонов, вы сможете передавать информацию в наноразмерных схемах в сверхбыстрых временных масштабах. Это один из ингредиентов, которых в настоящее время не хватает в фотонных схемах ».
В настоящее время оптические изоляторы используются для ограничения отражения света во всем, от лазеров до оптоволоконных кабелей в широкополосной связи. Но они громоздки и несовместимы с современными наносхемами, из них получаются поляритоны, которые могут отключаться в одном направлении, что очень привлекательно.
Исследователи плазмоники также рады детальным изображениям, полученным в ходе экспериментов. Они показали, что поляритоны могут служить в качестве зондов нанометрового масштаба, по их словам, инициируя и регистрируя электрон-электронные взаимодействия в системе. Эта информация дает представление о том, как графен и другие квантовые материалы будут вести себя в реальном мире.
«Изображения фактически являются считыванием свойств материала графена», — сказал Делор.
«Возможности наноптики»
«Мне нравится называть поляритоны инструментами наноптики», — говорит Джеймс Шак , инженер-механик и исследователь плазмоники из Columbia Engineering, который не принимал участия в работе. «Они полезны для исследования всех видов материалов в наномасштабе».
Большинство экспериментов проводилось во время пандемии; исследователи носили маски и перчатки и дезинфицировали лабораторию после каждого посещения. «В квантовой физике не было замедления, — говорит Басов, смеясь, вспоминая Физо.
Позднее имя французского физика было написано на Эйфелевой башне; не для эффекта, носящего его имя, а для точного измерения скорости света. Работа Физо была популяризирована в серии лекций в Колумбии в 1906 году, как Басов любит напоминать студентам. Физо также был одним из первых фотографов-экспериментаторов. Некоторые из его призрачных дагерротипных видов крыш Парижа хранятся в Музее искусств Метрополитен, недалеко от кампуса Колумбии.
Иллюстрация: На этой иллюстрации набор поляритонных волн (слева) взаимодействует с дрейфующими электронами в листе графена. Искривленная ткань пространства-времени (вверху слева) представляет собой связанную концепцию относительности. Предоставлено: Иинан Донг, Денис Бандурин и студия Эллы Мару.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК