Lumina joaca un rol vital in viata noastra de zi cu zi, iar tehnologiile bazate pe lumina sunt peste tot in jurul nostru. Asa ca ne-am putea astepta ca intelegerea noastra despre lumina sa fie destul de stabila. Dar oamenii de stiinta tocmai au descoperit o noua proprietate fundamentala a luminii care ofera o noua perspectiva asupra teoriei clasice a electromagnetismului veche de 150 de ani si care ar putea duce la aplicatii care manipuleaza lumina la scara nanometrica.
Este neobisnuit ca o lucrare de teorie pura de fizica sa ajunga in revista Science. Deci, atunci cand o face, merita o privire mai atenta. In noul studiu, cercetatorii reunesc unul dintre cele mai venerabile seturi de ecuatii ale fizicii – cele din celebra teorie a luminii a lui James Clerk Maxwell – cu unul dintre subiectele fierbinti din fizica moderna a starii solide: efectul Hall de spin cuantic si izolatorii topologici.
Pentru a intelege despre ce este tam-tam, sa luam in considerare mai intai comportamentul electronilor in efectul Hall de spin cuantic. Electronii poseda un spin intrinsec ca si cum ar fi mici rotite, care se rotesc constant in jurul axei lor. Acest spin este o proprietate mecanica cuantica, totusi si se aplica reguli speciale – electronul are doar doua optiuni deschise: se poate roti fie in sensul acelor de ceasornic, fie in sens invers acelor de ceasornic (numit in mod conventional spin-up sau spin-down), dar amploarea rotirea este intotdeauna fixa.
In anumite materiale, spinul electronului poate avea un efect mare asupra modului in care electronii se misca. Acest efect se numeste „cuplare spin-orbita” si ne putem face o idee despre cum functioneaza cu o analogie fotbalistica. Lovind o lovitura libera cu rotire, un fotbalist poate face ca mingea sa devieze la stanga sau la dreapta in timp ce se deplaseaza prin aer. Directia miscarii depinde de directia in care mingea se invarte.
Cuplarea spin-orbita face ca electronii sa experimenteze o deviatie analoga dependenta de spin pe masura ce calatoresc, desi efectul nu provine din efectul Magnus ca in cazul fotbalului, ci din campurile electrice din material.
Un curent electric normal consta dintr-un amestec egal de electroni in miscare de spin-up si spin-down. Datorita efectului de spin-orbita, electronii de spin-up vor fi deviati intr-un fel, in timp ce electronii de spin-down vor fi deviati in celalalt sens. In cele din urma, electronii deviati vor ajunge la marginile materialului si nu vor mai putea calatori. Cuplarea spin-orbita duce astfel la o acumulare de electroni cu spini diferiti pe partile opuse ale probei.
Acest efect este cunoscut sub numele de efectul Hall de spin clasic, iar mecanica cuantica adauga o intorsatura dramatica deasupra. Natura ondulatorie cuantica-mecanica a electronilor care calatoresc ii organizeaza in canale ordonate de-a lungul marginilor probei. In cea mai mare parte a materialului, nu exista spin net. Dar la fiecare margine, se formeaza exact doua canale purtatoare de electroni, unul pentru electroni de spin-up si unul pentru spin-down. Aceste canale de margine poseda o alta proprietate remarcabila: electronii care se misca in ele sunt impermeabili la tulburarile si imperfectiunile care provoaca de obicei rezistenta si pierderi de energie.
Aceasta ordonare precisa a electronilor in canale separate de spin, perfect conductoare este cunoscuta sub numele de efectul Hall de spin cuantic, care este un exemplu clasic de „izolator topologic” – un material care este un izolator electric in interior, dar care poate conduce electricitatea. pe suprafata ei. Astfel de materiale reprezinta o organizare fundamentala distincta a materiei si promit mult in ceea ce priveste aplicatiile spintronice. Capetele de citire ale hard disk-urilor bazate pe aceasta tehnologie sunt utilizate in prezent in industrie.
Incepand sa vada lumina
Acum, noul studiu sugereaza ca semintele acestui efect Hall de spin cuantic aparent exotic sunt de fapt peste tot in jurul nostru. Si nu ar trebui sa cautam electronii pentru a-i gasi, ci mai degraba sa ne luminam.
In fizica moderna, materia poate fi descrisa fie ca o unda, fie ca o particula. In teoria lui Maxwell, lumina este o unda electromagnetica. Aceasta inseamna ca se deplaseaza ca o oscilatie sincronizata a campurilor electrice si magnetice. Luand in considerare modul in care aceste campuri se rotesc pe masura ce valul se propaga, cercetatorii au putut defini o proprietate a undei, „spinul transversal”, care joaca rolul spinului electronului in efectul Hall de spin cuantic.
Intr-un mediu omogen, precum aerul, aceasta rotatie este exact zero. Cu toate acestea, la interfata dintre doua medii (aer si aur, de exemplu), caracterul undelor se schimba dramatic si se dezvolta o rotatie transversala. In plus, directia acestui spin este blocata cu precizie in directia de deplasare a undei luminoase la interfata. Astfel, atunci cand sunt privite in mod corect, vedem ca ingredientele topologice de baza ale efectului Hall de spin cuantic pe care le cunoastem pentru electroni sunt impartasite de undele luminoase.
Acest lucru este important pentru ca a existat o serie de experimente de mare profil care demonstreaza cuplarea dintre spinul luminii si directia de propagare a acesteia la suprafete. Aceasta noua lucrare ofera o interpretare integrativa a acestor experimente ca dezvaluind efectul Hall de spin cuantic intrinsec al luminii. De asemenea, indica o anumita universalitate in comportamentul undelor la suprafete, fie ele unde electroni mecanice cuantice sau undele clasice de lumina ale lui Maxwell.
Valorificarea efectului de spin-orbita va deschide noi posibilitati de control a luminii la scara nanometrica. Conexiunile optice, de exemplu, sunt vazute ca o modalitate de crestere a performantei computerului si, in acest context, efectul de spin-orbita ar putea fi folosit pentru a redirectiona rapid semnalele optice in functie de rotatia lor. Cu aplicatii propuse in comunicatiile optice, metrologie si procesarea informatiilor cuantice, va fi interesant de vazut cum se desfasoara impactul acestei noi intorsaturi asupra unei vechi teorii.
