Šviesa vaidina svarbų vaidmenį žmonijos gyvenime, ja paremtos technologijos yra visur aplink mus, taigi iš pirmo žvilgsnio galėtų pasirodyti, kad mūsų supratimas apie šviesą yra pakankamai gilus. Tačiau mokslininkai visai neseniai atrado fundamentalią šviesos savybę, kuri pateikia naujų įžvalgų apie 150 metų senumo klasikinę elektromagnetizmo teoriją. Šviesos savybės galėtų būti pritaikytos manipuliuojant su šviesa nanoskalėje, rašo „The Conversation“.
Neįprasta, kad grynai teorinės fizikos tyrimas būtų išspausdintas žurnale „Science“ ir jei taip nutinka, į jį verta pažvelgti įdėmiau.
Naujame tyrime mokslininkai į vieną sudėjo visas „garbinigiausias“ fizikos lygtis iš garsiosios Jameso Clerko Maxwello šviesos teorijos kartu su viena iš karščiausių modernios kietųjų kūnų fizikos temų – kvantinių sukinių Halo efektu ir topologijos izoliatoriais.
Kad suprastume, dėl ko kilo visas šis sambrūzdis, pažvelkime į elektronų elgseną kvantinių sukinių Halo efekte.
Elektronai turi sukinius, lyg mažyčius vilkelius, nuolatos besisukančius aplink jų ašis. Šis sukinys turi kvantinės mechanikos savybes, o kartu ir specialiais savo taisykles – elektronas turi tik dvi galimybes: sukutis arba palei, arba prieš laikrodžio rodyklę (sukinys „į viršų“ ir sukinys „į apačią“), tačiau sukimosi dydis visuomet yra pastovus.
Tam tikrose medžiagose elektrono sukinys gali turėti didelį poveikį elektronų judėjimui. Tai vadinama sukinio orbitos sąveika ir kaip tai veikia galima suprasti pasitelkus futbolo analogiją.
Keldamas baudos smūgį futbolininkas gali užsukti kamuolį, kai šis skrieja oru. Judėjimo kryptis lemia, į kurią pusę sukasi kamuolys.
Sukinio orbitos sąveika verčia elektronus patirti analogišką nuo sukinio priklausomą nuokrypį kol šie juda, nors efektas kyla ne dėl Magnus efekto, kaip futbole, bet dėl elektrinių medžiagos laukų.
Įprastinė elektrinė srovė susideda iš lygaus skaičiaus judančių sukinio „į viršų“ ir „į apačią“ elektronų. Dėl sukinio orbitos sąveikos sukinio „į viršų“ elektronai bus nukreipti į vieną pusę, sukinio „į apačią“ – į kitą.
Galiausiai kryptį pakeitę elektronai pasieks medžiagos pakraščius ir nebegalės judėti toliau. Tokiu būdu sukinio orbitos sąveika priveda prie susikaupusių elektronų skirtingose medžiagos mėginio pusėse.
Šis efektas žinomas kaip klasikinis sukinio Halo efektas, o kvantinė mechanika prie to prideda ir dramatišką vingį. Kvantinės mechanikos keliaujančių elektronų bangų prigimtis juos išdėlioja į tvarkingus kanalus mėginio pakraščiuose. Didžiojoje medžiagos dalyje sukinių nėra.
Tačiau kiekviename pakraštyje susiformuoja lygiai du elektronų pernešimo kanalai. Vienas – sukinio „į viršų“, kitas – sukinio „į apačią“ elektronams. Šie pakraščių kanalai turi dar vieną neįtikėtiną savybę – elektronai, kurie į juos juda, yra nepaveikiami netvarkos, kuri dažniausiai nulemia pasipriešinimą ir energijos praradimą.
Ši tiksli elektronų išdėstymo tvarka į skirtingų sukinių ir laidžius kanalus žinoma kaip kvantinio sukinio Halo efektas, kuris yra klasikinis „topologijos izoliatoriaus“ pavyzdys – medžiagos, kuri yra elektros izoliatorius viduje, tačiau jos paviršius laidus.
Šios medžiagos reprezentuoja fundamentaliai skirtingą medžiagos sandarą ir daug žada spintronikos pritaikyme.
Naujasis mokslininkų tyrimas rodo, kad šie egzotiški kvantinio sukinio Halo efekto pėdsakai yra visur aplink mus. Ir jų turėtume ieškoti ne elektronuose, o šviesoje.
Modernioje fizikoje medžiagos gali būti apibūdintos ir kaip bangos, ir kaip dalelės. Maxwello teorijoje šviesa yra elektromagnetinė banga. Tai reiškia, kad ji keliauja per elektrinius ir magnetinius laukus.
Atsižvelgiant į tai, kaip šie laukai sukasi bangai sklindant,mokslininkai galėjo nustatyti bangos savybę, „skersinį sukinį“, kuri vaidina svarbų vaidmenį elektrono sukinyje kvantinio sukinio Halo efekte.
Vientisoje terpėje, tokioje kaip oras, sukinys yra lygiai nulinis. Tačiau susidūrus dviem terpėmis, pavyzdžiui, auksui ir orui, bangų pobūdis dramatiškai keičiasi ir vystosi skersinis sukinys.
Dar daugiau, šio sukinio kryptis priklauso nuo bangos krypties paviršių sandūroje. Tokiu būdu, kai žiūrime teisingu būdu, galime matyti visus pagrindinius topologinius ingredientus kvatinio sukinio Halo efekte.
Tai svarbu, nes iki šiol jau buvo atlikta daug eksperimentų, demonsrtavusių sąveiką tarp šviesos sukinio ir jo sklidimo krypties. Naujasis mokslininkų darbas suteikia integruotą šių mokslinių tyrimų interpretaciją.
Sukinio sąveikos efektas atvers naujų galimybių manipuliuoti šviesa nanoskalėje. Vienas iš praktinių pritaikymo būdų galėtų būti optinės jungtys, kurios leistų paspartinti kompiuterių veikimą ir, šiuo atveju, sukinio orbitos efektas leistų pakeisti optinį signalą, prikausomai nuo sukinio krypties.
