Scienziati di ITMO, Università di Sheffield, e l'Università dell'Islanda hanno dimostrato che il movimento di elettroni e fotoni in materiali bidimensionali con simmetria esagonale, come il grafene, si sottomette alle stesse leggi. Ora, le proprietà degli elettroni nei solidi possono essere modellate con l'aiuto di sistemi ottici classici dove questo compito può essere risolto più facilmente. L'articolo è stato pubblicato su Fotonica della natura .

Il grafene è il materiale bidimensionale più famoso, ed è durevole e ha un'elevata conduttività. Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno ricevuto il Premio Nobel 2010 per la fisica per il suo sviluppo. Nonostante sia 'leggero, ' è 300 volte più resistente dell'acciaio. Le sue proprietà uniche hanno a che fare con la sua struttura. Il comportamento degli elettroni in un materiale dipende in gran parte dalla geometria del reticolo cristallino della sostanza. Nel caso del grafene, gli atomi di carbonio formano celle esagonali, quindi gli elettroni possono comportarsi come particelle con massa effettiva nulla, pur avendo massa in realtà.

"Questo comportamento degli elettroni nel grafene è descritto dalle leggi della meccanica quantistica, dove l'elettrone non è percepito come una particella che si muove attorno al nucleo di un atomo ma come un'onda materiale. Proprietà particolari di onde di diversa natura fisica dipendono solo dalla simmetria di un sistema. Ciò rende possibile creare "grafene fotonico". Assomiglia a una sottile lastra trasparente che sembra un nido d'ape. Se gli elettroni possono comportarsi come particelle senza massa nel grafene classico, qui, i fotoni si comportano in modo simile, " spiega Alexey Yulin, ricercatore presso la Facoltà di Fisica e Ingegneria dell'ITMO.

Scienziati dalla Russia, L'Inghilterra e l'Islanda si sono impegnate a riprodurre la dinamica degli elettroni privi di massa che hanno spin nel grafene utilizzando la luce priva di massa che si propaga in un sistema ottico. Avendo creato una controparte ottica del grafene, hanno studiato gli effetti che emergono quando lo si influenza con i fotoni:è eccitato da un'emissione laser focalizzata che cade sotto un angolo specifico. Un cambiamento nell'angolo di incidenza della luce che cade su un sistema fotonico prevedeva l'emergere di onde con le proprietà desiderate.

Nell'articolo, gli scienziati hanno studiato un caso in cui hanno eccitato selettivamente fotoni senza massa nel grafene fotonico. Il confronto tra teoria ed esperimento ha mostrato che il modello matematico proposto riproduce i risultati sperimentali. Per confronto, hanno anche studiato un caso in cui la luce nel grafene fotonico si comporta come particelle regolari con massa diversa da zero.

Nel corso dell'esperimento, i fisici hanno scoperto che gli effetti di polarizzazione sono simili agli effetti di spin ben noti nella fisica dello stato solido. Gli scienziati hanno anche dimostrato la possibilità di descrivere questi fenomeni con l'aiuto di equazioni del campo della fisica classica. Ora le proprietà che sono difficili da misurare o controllare nei solidi possono essere studiate utilizzando sistemi fotonici in cui questi compiti possono essere risolti in modo relativamente semplice.

"Grazie al fatto che i processi che avvengono nel grafene normale sono simili a quelli dei sistemi fotonici, i sistemi ottici possono essere usati per imitare la dinamica di spin degli elettroni. Lo studio delle interazioni spin-orbitale nel grafene fotonico può portare a una migliore comprensione di effetti simili osservati nell'elettronica a stato solido. Cosa c'è di più, i risultati ci incoraggiano a cercare tali somiglianze in altri sistemi, per esempio nel grafene acustico, " conclude Alexey Yulin.