物理学家成功地使光子和电子的运动遵循相同的定律

来自ITMO，谢菲尔德大学和冰岛大学的科学家证明，具有六角对称性的二维材料(例如石墨烯)中的电子和光子的运动服从相同的定律。现在，可以借助经典的光学系统对固体中电子的性质进行建模，从而可以更轻松地解决此任务。该文章发表在《自然光子学》上。

石墨烯是最著名的二维材料，它耐用且具有高导电性。安德烈·吉姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃塞洛夫(Konstantin Novoselov)的进步获得了2010年诺贝尔物理学奖。尽管“轻”，它却比钢铁强300倍。它的独特性质与其结构有关。电子在材料中的行为在很大程度上取决于物质晶格的几何形状。在石墨烯的情况下，碳原子形成六角形细胞，因此尽管实际上具有质量，但电子仍可以表现为有效质量为零的粒子。

“石墨烯中电子的这种行为是由量子力学定律描述的，在电子学中，电子不是被视为绕原子核运动的粒子，而是被视为物质波。具有不同物理性质的波的特定性质仅取决于系统的对称性，这使得创建“光子石墨烯”成为可能。它类似于一块薄薄的透明板，看起来像蜂窝状。如果电子能够像传统石墨烯中没有质量的粒子那样起作用，那么这里的光子就会以类似的方式起作用。” ITMO物理与工程学院的研究员Alexey Yulin解释说。

来自俄罗斯，英国和冰岛的科学家着手研究如何利用在光学系统中传播的无质量光来再现在石墨烯中自旋的无质量电子的动力学。创建了石墨烯的光学对应物后，他们研究了用光子影响石墨烯时会出现的效应：它受到落在特定角度下的聚焦激光发射的激发。落在光子系统上的光的入射角发生变化，以产生具有所需特性的波。

在文章中，科学家研究了一个实例，他们有选择地激发光子石墨烯中的无质量光子。理论与实验的比较表明，提出的数学模型再现了实验结果。为了进行比较，他们还研究了一个实例，其中光子石墨烯中的光表现为质量为非零的规则粒子。

在实验过程中，物理学家发现偏振效应类似于固态物理学中众所周知的自旋效应。科学家们还证明了借助古典物理学领域的方程式描述这些现象的可能性。现在，可以使用光子系统研究难以测量或控制的固体性质，其中相对容易解决这些任务。

“由于规则石墨烯中发生的过程类似于光子系统中的过程，因此可以使用光学系统来模仿电子的自旋动力学。研究光子石墨烯中的自旋轨道相互作用可以更好地理解观察到的相似效应而且，结果鼓励我们在其他系统(例如声学石墨烯)中寻找这种相似性。”

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