Fizikçiler, fotonların ve elektronların hareketini aynı yasalar altına almayı başardılar.
Saint Petersburg’daki büyük bir devlet üniversitesi ve Rusya’nın Ulusal Araştırma Üniversitelerinden biri olan ITMO, Sheffield Üniversitesi ve İzlanda Üniversitesi’nden bilim insanları, elektronların ve fotonların, grafen gibi altıgen simetriye sahip iki boyutlu malzemelerdeki hareketinin aynı yasalara tabi olduğunu kanıtladılar. Artık katılardaki elektronların özellikleri, bu görevin daha kolay çözülebildiği klasik optik sistemler yardımıyla modellenebilir. Makale Nature Photonics’te yayınlandı.
Grafen en ünlü iki boyutlu malzemedir, dayanıklıdır ve yüksek iletkenliğe sahiptir. Andre Geim ve Konstantin Novoselov, grafeni geliştirdikleri için 2010 Nobel Fizik Ödülü’nü aldı. “Hafif” olmasına rağmen, çelikten 300 kat daha güçlüdür. Eşsiz özellikleri yapısı ile ilgilidir. Bir malzemedeki elektronların davranışı, büyük ölçüde maddenin kristal kafesinin geometrisine bağlıdır. Grafen söz konusu olduğunda, karbon atomları altıgen hücreler oluşturur; bu nedenle elektronlar, gerçekte kütleye sahip olmalarına rağmen sıfır etkili kütleye sahip parçacıklar gibi davranabilirler.
Elektronların grafendeki bu davranışı, elektronun bir atomun çekirdeği etrafında hareket eden bir parçacık olarak değil, bir materyal dalgası olarak algılandığı kuantum mekaniği yasaları tarafından tanımlanmaktadır. Farklı fiziksel yapıdaki dalgaların belirli özellikleri yalnızca bir sistemin simetrisine bağlıdır. Bu, “fotonik grafen” oluşturmayı mümkün kılar. Petek gibi görünen ince, şeffaf bir plakaya benzer. Elektronlar klasik grafende kütlesiz parçacıklar gibi davranabiliyorsa, burada fotonlar benzer şekilde davranıyor. ”diyor, ITMO Fizik ve Mühendislik Fakültesi’nde araştırmacı olan Alexey Yulin.
Rusya, İngiltere ve İzlandalı bilim insanları, bir optik sistemde yayılan kütlesiz ışığı kullanarak grafende dönüşe sahip kütlesiz elektronların dinamiklerini yeniden üretme görevini üstlendiler. Grafenin optik bir karşılığını oluşturduktan sonra, onu fotonlarla etkilerken ortaya çıkan etkileri incelediler. Grafen, belirli bir açının altına düşen odaklanmış bir lazer emisyonuyla uyarılıyor. İstenilen özelliklere sahip dalgaların ortaya çıkması için sağlanan fotonik sisteme düşen ışığın geliş açısının değişmesi sağlanıyor.
Makalede bilim insanları, fotonik grafendeki kütlesiz fotonları seçici olarak uyardıkları bir örneği incelediler. Teori ve deneyin karşılaştırılması, önerilen matematiksel modelin deneysel sonuçları yeniden ürettiğini gösterdi. Karşılaştırma için, fotonik grafendeki ışığın sıfır olmayan bir kütleye sahip normal parçacıklar gibi davrandığı bir örneği de incelediler.
Deney sırasında fizikçiler, polarizasyon etkilerinin katı hal fiziğinde iyi bilinen spin etkilerine benzer olduğunu keşfettiler. Bilim insanları, bu fenomenleri klasik fizik alanından denklemler yardımıyla açıklama olasılığını da kanıtladılar. Artık katılarda ölçülmesi veya kontrol edilmesi zor olan özellikler, bu görevlerin nispeten kolay bir şekilde çözülebildiği fotonik sistemler kullanılarak incelenebilir.
“Normal grafende gerçekleşen işlemlerin fotonik sistemdekilere benzer olması sayesinde, elektronların spin dinamiklerini taklit etmek için optik sistemler kullanılabilir. Fotonik grafende spin-orbital etkileşimlerini incelemek, katı hal elektroniklerinde gözlenen benzer etkilerin daha iyi anlaşılmasını sağlayabilir. Dahası, sonuçlar bizi diğer sistemlerde, örneğin akustik grafende benzerlikler aramaya teşvik ediyor. ”diyor, Alexey Yulin.
Çeviri: Simge KARA
Source: C. E. Whittaker et al. Optical analogue of Dresselhaus spin–orbit interaction in photonic graphene, Nature Photonics (2020). DOI: 10.1038/s41566-020-00729-z