Na povrchu nanočástic topologického izolátoru vzniká nová forma světla  
Vědci si namodelovali, že fotony světla mohou interagovat s jediným elektronem na povrchu nanočástic topologického izolátoru.

 

Světlo polapené na topologické nanočástici. Kredit: Vincenzo Giannini.
Světlo polapené na topologické nanočástici. Kredit: Vincenzo Giannini.

V běžných materiálech je to tak, že světlo reaguje s celou populací elektronů, které se vyskytují na povrchu i uvnitř takového materiálu. Nemusí to tak ale být vždycky. Vědci Královské univerzity v Londýně prozkoumali teoretické modely chování světla a nedávno objevené třídy materiálů – takzvaných topologických izolátorů (topological insulators), které vedou elektrický proud po svém okraji či povrchu. Nakonec zjistili, že světlo, tedy fotony, mohou interagovat s jediným elektronem na povrchu topologického izolátoru.

V takovém případě lze s jistou nadsázkou říct, že vznikne doposud neznámá forma světla (v tomto případě „forma světla“ s velkými uvozovkami – ale lépe se o tom píše), která v sobě spojuje některé vlastnosti světla a elektronu. Autoři studie by řekli, že světlo společně s elektronem vytvoří doposud neznámý stav podobný plazmonu v kovové nanočástici. Například, za normálních okolností se světlo šíří přímo, když se ale uvedeným způsobem spojí s elektronem, tak pak sleduje jeho trajektorii. Protože jde o elektron topologického izolátoru, tak se pohybuje po povrchu materiálu. 

Vincenzo Giannini. Kredit: Imperial College London.
Vincenzo Giannini. Kredit: Imperial College London.

Za studií, kterou ve svém novém čísle uveřejnil časopis Nature Communications, je Vincenzo Giannini se svými kolegy. Namodelovali si interakci světla s nanočásticemi, tedy kuličkami o průměru stomiliontiny metru, které byly v jejich modelu vytvořené z topologického izolátoru. Modely jim vyjevily, že světlo v takovém případě přijme vlastnosti elektronu a obíhá kolem něj, zatímco elektron zase obdrží některé z vlastností světla.

Logo Imperial College London.
Logo Imperial College London.

Čím by takové modelování mohlo být zajímavé? Krom toho, že je jistě vzrušující samo o sobě, může také významně prospět budoucím fotonickým obvodům. Když v normálních elektrických obvodech běhají elektrony a narazí na nějaký defekt, tak jsou v háji. Giannini s kolegy si ale všimli, že když elektron v interakci se světlem narazí na defekt na povrchu nanočástice topologického izolátoru, tak si z toho elektron nic nedělá a směle pokračuje dál. Pokud by se tohle povedlo využít vývojářům fotonických obvodů, tak budou odolnější vůči defektům a poškození. Což není k zahození.

Giannini je přesvědčen, že výsledky jejich výzkumu budou mít velký vliv na to, jakým způsobem vnímáme světlo. Rovněž si pochvaluje topologické izolátory. Byly objeveny teprve v posledním desetiletí a už nás zásobují spoustou nových fenoménů, které můžeme studovat. Giannini se také nechal slyšet, že jevy, které teď jeho tým modeloval, je možné pozorovat již se soudobou technologií. Sami už na tom pracují, takže o světle zkříženém s elektrony nejspíš zase brzy uslyšíme.


Literatura
Imperial College London 5. 8. 2016, Nature Communications online 5. 8. 2016.

 

Datum: 07.08.2016
Tisk článku

Související články:

Trojrozměrný protějšek grafenu novou formou hmoty     Autor: Stanislav Mihulka (17.01.2014)
Germanen novým 2D bratrancem grafenu     Autor: Stanislav Mihulka (23.09.2014)
V exotickém materiálu mizí elektrony jako Alenka v králičí noře     Autor: Stanislav Mihulka (13.03.2016)



Diskuze:

Nové světlo

Jan Poslušný,2016-08-08 18:41:03

to asi nebude, ale věřím tomu, že vědci namodelovali a třeba i experimentálně potvrdí jeden nebo i více nových způsobů šíření.

Odpovědět

Tedy, mě se to nějak nezdá

Tomáš Vodička,2016-08-08 00:01:56

Jak by se foton, který má nulovou klidovou hmotnost, mohl nějak spojit s elektronem, který naopak nemůže dosáhnout rychlosti světla? Představa, že by se foton v reálném čase pohyboval spolu s elektronem mi připadá neuvěřitelná.
A navíc, jaká interakce by takové spojení měla zajistit?
Nebo to snad znamená, že foton a elektron interagují, a vytvoří nějakou neznámou exotickou částici? Proč by se tak ale mělo dít jen u topologických izolátorů?
Tohle by chtělo nějaké podrobnější vysvětlení.

Odpovědět


Re: Tedy, mě se to nějak nezdá

Martin Krupicka,2016-08-08 10:26:20

Článek je open access, http://www.nature.com/ncomms/2016/160805/ncomms12375/full/ncomms12375.html
a nutno uznat, že je to ještě větší magie, než zde popisuje Dr. Mihulka.

Topologické izolátory, https://en.wikipedia.org/wiki/Topological_insulator, jsou látky, které samy o sobě jsou izolátory, ale na povrchu mají vlastnosti vodiče, navíc ještě "symmetry protected by particle number conservation and time reversal symmetry".

Nakolik jsem byl schopný dešifrovat rovnice, jedná se o normální dipólovou interakci s elmg. polem, kdy dojde k interakci fononů a plasmonů a částice přestane absorbovat záření (předpokládám, že se "naladí" na dopadající elmg. pole). To celé funguje pouze u malých částic topologických izolátorů, protože, viz výše, jim kvantovka dovoluje dělat čachry machry bežným materiálům zapovězené.

Vzdáleně mi to připomíná Vibronic coupling u molekul, https://en.wikipedia.org/wiki/Vibronic_coupling
tj. spřažení elektronových a vibračních stupňů volnosti, což vede k tomu, že Born-Oppenheimerova aproximace není použitelná a místo řešení příjemné Schroedingerovy rovnice pro elektrony okolo stacionárních jader je potřeba mít vlnovou rovnici i pro jádra a pojmout to jako propagaci vlnového balíku v čase, tudíž lze očekávat chování divné až vyloženě exotické (koherence, rezonance, atd...).

Odpovědět


Re: Tedy, mě se to nějak nezdá

Pavel Hudecek,2016-08-08 10:34:43

Hlavní rozdíly oproti běžným situacím jsou:
- Nanočástice mnohem menší, než vlnová délka světla.
- Elektron se zde na rozdíl od kovové nanočástice nemůže schovat dovnitř.

Dovedu si tedy představit, že by elektron po excitaci fotonem přešel do stavu, kdy se nachází na celém povrchu současně.

Odpovědět

Název nového světla

Pavel Riedl,2016-08-07 22:58:52

Co třeba 'Oktarína'?

Odpovědět


Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce








Zásady ochrany osobních údajů webu osel.cz