Исследователи Университета Питтсбурга стали первыми, кто обнаружил фундаментальную частицу взаимодействия света и вещества в металлах – экситона. Команда опубликовала свою работу в Интернете в Nature Physics 1 июня.
Человечество использует отражение света от металлического зеркала на протяжении тысячелетий, но квантово-механическое волшебство этого всем хорошо знакомого явления раскрылось только сейчас.
Физики описывают физические явления с точки зрения взаимодействия между полями и частицами. Когда свет (электромагнитное поле) отражается от металлического зеркала, он раскачивает свободные электроны металла (частицы), и, как следствие, ускорение электронов создает почти идеальную копию падающего света (отражение).
Классическая теория электромагнетизма обеспечивает хорошее понимание этого процесса, но ученым не хватало микроскопического квантово-механического описания того, как свет возбуждает электроны.
Хрвое Петек (Hrvoje Petek), профессор кафедры физики и астрономии в Школе искусств и наук Кеннет П. Дитрих, вместе со своей командой физиков и химиков из Университета Питтсбурга и Института физики в Загребе, подготовил отчет о том, как свет и материя взаимодействуют на поверхности серебряного кристалла. Они впервые наблюдали экситон в металле.
Экситоны (частицы взаимодействия света и вещества, при котором фотоны света становятся временно “переплетенными” с электронами в молекулах и полупроводниках), как известно, являются принципиально важными в таких процессах, как фотосинтез растений и оптическая коммуникация, которые являются основой для Интернета и кабельного телевидения. Оптические и электронные свойства металлов вызывают экситоны, которые длятся не более 100 аттосекунд (0,1 квадриллионной секунды). Такие короткие отрезки жизни затрудняют ученым изучать экситоны в металлах, но это также позволяет отражать свет, который является почти точной копией падающего света.
Тем не менее Петек и его команда экспериментально обнаружили, что поверхностные электроны кристаллов серебра могут поддерживать экситонное состояние в 100 раз дольше, чем обычные недрагоценные металлы, что позволило экспериментально захватить экситоны в металлах на недавно разработанной технике.
Способность обнаруживать экситоны в металлах проливает свет на то, как свет преобразуется в электрическую и химическую энергию в растениях и солнечных батареях, а в будущем это может позволить металлам функционировать в качестве активных элементов в оптической связи. Другими словами, это может позволить контролировать отражение света от металла.
Источник: Nature Physics