В ходе недавнего научного исследования было выявлено неожиданное явление: падающие на поверхность золотой фольги фотоны вызывают активное притяжение свободных электронов, что противоречит прогнозам закона сохранения импульса относительно направления тока. Для достижения ожидаемого результата ученым потребовалось заполнить вакуумную камеру воздухом и подвергнуть фольгу воздействию p-поляризованного луча. Данное открытие ставит под сомнение достоверность большинства существующих экспериментов по измерению аналогичного потока электронов. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters, краткое описание исследования представлено на ресурсе Physics, а препринт доступен на arXiv.org. Важно отметить, что закон сохранения импульса применим не только к механическим столкновениям тел, но и к отражению света от полированных металлических поверхностей. Несмотря на то, что данный процесс можно интерпретировать как механическое столкновение фотонов с частицами металла, строгие расчеты в рамках классической электродинамики подтверждают действие этого закона.

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.

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.

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.

В ноябре 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.

Для любознательных

В современной физике закон сохранения импульса считается фундаментальным и незыблемым. Однако на стыке квантовой механики, электродинамики и оптики возникают эффекты, которые на первый взгляд кажутся его нарушением. Одной из самых обсуждаемых тем в академической среде стало поведение электронов при взаимодействии с интенсивными потоками фотонов.

Разберемся, действительно ли здесь нарушаются базовые законы физики, как этот парадокс объясняется современной наукой и какие исследования на эту тему ведутся в России.

Суть «парадокса»: куда исчезает импульс?

Когда направленный поток электронов (электронный пучок) сталкивается с мощным лазерным излучением (потоком фотонов), происходит их квантовое взаимодействие. Классический пример — эффект Комптона или нелинейное комтоновское рассеяние. Фотоны передают часть своего импульса электронам, заставляя их менять траекторию и излучать новые фотоны.

Иногда в экспериментах или при математическом моделировании ученые фиксируют аномалии:

• Изменение суммарного импульса системы электронов кажется неэквивалентным энергии поглощенных фотонов.
• Возникает так называемая радиационная сила трения (радиационное торможение), которая будто бы «крадет» импульс у частиц в никуда.

Кажущееся «нарушение» закона сохранения импульса в таких системах всегда связано с одной из двух причин:

1. Незамкнутость системы. Импульс уносится вторичным излучением (жесткими рентгеновскими или гамма-квантами), которое сложно зафиксировать в полном объеме.
2. Влияние вакуума. При экстремальных плотностях энергии (в фокусе сверхмощных лазеров) электрон начинает взаимодействовать с виртуальными частицами физического вакуума. Импульс перераспределяется между веществом, полем и вакуумом, что требует расчетов в рамках квантовой электродинамики (КЭД).

Таким образом, закон сохранения импульса не нарушается, но его баланс становится невероятно сложным для классического учета.

А что в России? Отечественные исследования и мегаустановки

Россия традиционно занимает лидирующие позиции в лазерной физике и квантовой электродинамике (КЭД). Именно российские ученые сегодня находятся на передовой изучения экстремальных взаимодействий света и материи.

1. Проект XCELS (Нижний Новгород)

Один из главных центров изучения физики сверхсильных полей — Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде. Здесь разработан проект лазера субэкзаваттной мощности XCELS (Exawatt Center for Extreme Light Studies).

• Цель: Создание лазерного излучения такой мощности, при которой поле начинает «разрывать» вакуум, рождая электрон-позитронные пары.
• В чем связь с темой? Исследования физиков из ИПФ РАН направлены на моделирование поведения электронов в таких полях. Их теоретические работы описывают, как именно электроны радиационно тормозятся в фокусе лазера и как баланс импульса сохраняется за счет лавинного рождения новых частиц.

2. Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИАН, Москва)

Теоретики из ФИАН активно изучают квантовоэлектродинамические эффекты в интенсивном лазерном поле. Российские физики строят математические модели, которые учитывают «радиационное трение» электронов. Эти работы доказывают: то, что в упрощенных моделях выглядит как потеря импульса, в строгой теории КЭД является переходом энергии пучка в направленное гамма-излучение.

3. Национальный центр физики и математики (НЦФМ, Саров)

В Сарове под эгидой Росатома создается лазерная установка нового поколения. Одно из ключевых научных направлений центра — лабораторная астрофизика. Моделируя столкновение электронов с фотонами, ученые воссоздают в лаборатории процессы, происходящие вблизи черных дыр и нейтронных звезд, где плотность фотонного пучка колоссальна.

Почему это важно для технологий будущего?

Изучение тонких механизмов обмена импульсом между электронами и фотонами — это не просто чистая теория. Результаты этих исследований применяются в следующих областях:

• Компактные ускорители электронов: Использование лазерной плазмы для разгона частиц до околосветовых скоростей на дистанции в несколько сантиметров (вместо километров, как в обычных ускорителях).
• Источники направленного гамма-излучения: Понимание того, как электроны передают импульс фотонам, позволяет создавать сверхъяркие «рентгены» для досмотровых комплексов и медицины.
• Проверка фундаментальных констант: Эксперименты помогают подтвердить или скорректировать уравнения квантовой электродинамики в экстремальных условиях.

Вывод

Закон сохранения импульса остается незыблемым фундаментом Вселенной. «Нарушения», о которых иногда говорят исследователи, на поверку оказываются сверхсложным обменом энергией между электронами, лазерным полем и квантовым вакуумом. И российская наука сегодня обладает всеми картами — от сильной теоретической школы до строящихся мегаустановок, — чтобы первыми детально описать эти процессы.

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