Обнаружено нарушение закона сохранения импульса при движении электронов в потоке фотонов

Физики из США неожиданно обнаружили, что падающие на поверхность золотой фольги фотоны притягивают свободные электроны, хотя закон сохранения импульса предсказывает другое направление тока. Чтобы получить «правильное» направление тока, ученым пришлось заполнить вакуумную камеру воздухом и облучить фольгу p-поляризованным лучом. Таким образом, большинство экспериментов по измерению аналогичного потока электронов придется пересмотреть. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на arXiv.org. Закон сохранения импульса распространяется не только на механические столкновения тел, но и на отражение света от полированной поверхности металла. Проще всего смотреть на такое отражение как на механическое столкновение фотонов-частиц с частицами металла, однако аккуратный расчет в рамках классической электродинамики приводит к тому же закону сохранения.

Картинки по запросу электрон

Очевидное следствие этого закона сохранения — это давление луча света, которое может сдвинуть с места тонкую металлическую пластинку. В начале XX века этот эффект исследовали сотни независимых экспериментов, причем одним из первых его проверил русский физик Петр Лебедев.

Особенно интересно рассмотреть рассеяние инфракрасных волн на поверхности благородных металлов — золота и серебра. Поскольку проводимость этих металлов почти целиком обусловлена свободными электронами, логично предположить, что эти электроны охотнее всего взаимодействуют со светом, а потом передают полученный импульс всему кристаллу. Следовательно, в небольшом слое около поверхности проводника должен течь небольшой ток, состоящий из отталкиваемых электронов. При этом из закона сохранения импульса следует, что поток электронов (не путать с электрическим током, который по определению течет в противоположную сторону) направлен перпендикулярно поверхности вдоль падающего луча света. Большинство экспериментов подтверждает это наивное соображение, однако в некоторых опытах направление тока получается обратным.

Группа физиков под руководством Генри Лезека (Henri Lezec) объяснила это противоречие и экспериментально показала, что при более внимательном рассмотрении интуитивное соображение оказывается неверным — падающие лучи света не отталкивают, а притягивают свободные электроны. Если металл находится в вакууме, то поток электронов пропорционален импульсу падающего пучка света и не зависит от поляризации света (что совпадает с теорией), но направлен к поверхности образца (что противоречит теории). Если же переместить ту же пластинку в воздух, то на поток электронов наложится ток от молекулярных адсорбатов, и результирующее направление тока изменится на противоположное. Таким образом, большинство экспериментов по измерению потока электронов придется пересмотреть.

В основе эксперимента, поставленного физиками, лежала тонкая отполированная золотая фольга (толщиной всего 35 нанометров), напыленная на поверхность кварцевого стекла. В качестве источника света ученые выбрали титан-сапфировый инфракрасный лазер с длиной волны 800 нанометров, энергией импульса пять миллиджоуль и продолжительностью импульса около 20 пикосекунд. С помощью поляризационных пластинок физики могли изменять поляризацию конечного пучка, падающего на фольгу. Кроме того, направляя пучок под разными углами, исследователи регулировали его поперечный импульс, а вместе с ним и величину ожидаемого потока электронов. Чтобы измерить едва заметное напряжение, которое генерирует этот поток, ученые подключили фольгу к усилителю. Чтобы увеличить импульс пучка, предварительно прошедшего сквозь стекло, ученые отшлифовали стекло до полукруглой формы. Наконец, ученые поместили прибор в вакуумную камеру, откачали воздух до давления 10−8 атмосфер и несколько часов просвечивали его ультрафиолетовой лампой, чтобы удалить из камеры остатки воды. На втором этапе наблюдений та же камера заполнялась воздухом при нормальном давлении, влажности 20 процентов и температуре 20 градусов Цельсия. Авторы статьи подчеркивают, что образованием квазичастиц-плазмонов в такой простой системе можно пренебречь, целиком сосредоточившись на потоке электронов.

Схема эксперимента с лучом света (a,b) и подключения золотой фольги (c). Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Затем ученые измерили коэффициент передачи напряжения для разных конфигураций падающего луча, то есть коэффициент пропорциональности между генерируемым напряжением и средним импульсом падающих фотонов. Всего физики рассмотрели восемь случаев, которые определялись стороной пленки (чистой или «остекленной»), окружающей средой (вакуум или воздух) и поляризацией света (s- или p-поляризация). Теоретическое значение коэффициента, рассчитанное в рамках классической электродинамики, должно быть во всех случаях одинаковым и примерно равным −2,5 гигавольта на ньютон-секунду. На практике значения совпали с этим значением по порядку, но получились во всех восьми случаях разные. Более того, правильный знак физики получили только для одного случая — «голого», «неостекленного» бока пленки, помещенного в воздух и облученного p-волной.

Зависимость генерируемого перепада напряжений от угла падения света, стороны пластинки (показана во врезах) и поляризации (s-волны слева и p-волны справа). Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Значения коэффициента передачи напряжения для вакуума (верхний ряд) и воздуха (нижний ряд) в зависимости от поляризации луча (верхний индекс) и стороны пластинки (нижний индекс, f — «голая» сторона, g — «остекленная»). Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, ученые попытались теоретически объяснить перепады коэффициента передачи напряжения. Во-первых, для этого физики заметили, что коэффициент зависит от окружения только при облучении p-поляризованной волной (в случае s-волны он изменяется всего на несколько процентов). Во-вторых, исследователи пронаблюдали за изменением коэффициента во время медленного заполнения камеры воздухом. После этого предварительного анализа ученые решили, что, вероятнее всего, зависимость можно списать на поглощение воды поверхностью золотой пленки. Впрочем, в будущем физики собираются исследовать этот вопрос более аккуратно. Как минимум, им придется объяснить «неправильный» знак коэффициента передачи напряжения.

Зависимость генерируемого напряжения от времени заполнения (фиолетовый) и очистки (синий) камеры. Кроме того, рассмотрены случаи, в которых очистка дополняется облучением ультрафиолетом (красный) и нагревом до 400 кельвинов (желтый). Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

В ноябре 2017 года мы писали о еще одном контринтуитивном эффекте, сопровождающем отражение света. Как правило, если посветить пучком света с круговой поляризацией на зеркало, поляризация луча изменится на противоположную. Однако американские физики построили необычное многослойное зеркало, которое не изменяет поляризацию падающих лучей: благодаря периодическому массиву несимметричных отверстий в одном из слоев, поляризованный свет, закрученный в одну сторону, полностью поглощается, а закрученный в другую — отражается с сохранением поляризации.

Автор: Дмитрий Трунин
Источник: https://nplus1.ru/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!