Forskere opdager nye egenskaber ved lys

Lys spiller en vigtig rolle i vores dagligdag, og meget teknologi er baseret på lys, som er omkring os hele tiden.

Derfor kan vi måske tro, at vi ved alt om lys. Men der må vi tro om igen.

Forskere har netop fundet en helt ny egenskab for lys, der giver et større indblik i den 150 år gamle teori om elektromagnetisme, og som kan føre til, at man kan kontrollere lys på en nanoskala.

Det er sjældent, at et artikel omhandlende ren fysikteori bliver udgivet i det videnskabelige tidskrift Science. Så når den gør, er det værd at kigge nærmere på.

Blanding af ny og gammel teori om lys

I det nye studie samler forskerne James Clerk Maxwells kendte lysteori op, i følgeskab med to andre emner, der er meget oppe i fysikverden for tiden: nemlig Hall-effekten og topologiske isolatorer.

For at kunne forstå, hvad alt dette ståhej handler om, kan vi starte med at kigge på kvantespringet i Hall-effekten.

Elektroner kan sammenlignes lidt med en snurretop, der konstant roterer om sin akse.

For elektroner er rotationen et spring, som kan gå henholdsvis med eller mod urets retning (kaldes også spin op og spin ned). Dette er en kvantemekanisk egenskab, hvor størrelsesforholdet altid er fastlagt.

Elektronkredsløb kan sammenlignes med en fodbold

I nogle materialer kan elektronets spring påvirke, hvordan elektronet bevæger sig. Dette hedder elektronkredsløb, og det kan sammenlignes med noget, som de fleste kan relatere til:

Når en fodboldspiller skal sparke et frispark, kan han skrue fodbolden, så den drejer mod højre eller venstre, imens den flyver gennem luften. Fodboldens retning afhænger af, hvilken vej bolden roterer.

Elektronkredsløbet får elektronen til at foretage en lignende rotationsafhængig drejning, selvom eksemplet med fodbolden opstår på grund af Magnus-effekten og på grund af det elektriske felt i materialet.

Elektrisk strøm består af lige mange spin op og spin ned-elektroner. I elektronkredsløbet vil spin op-elektroner aflede den ene vej, og spin ned-elektroner den anden vej.

På et tidspunkt vil de afledede elektroner nå til materialets ende, så de ikke kan springe længere. Når det sker, vil der ske en sammenkobling af spin op og spin ned-elektroner.

Denne effekt kaldes Hall-effekten, men kvantemekanikken tilføjer endnu en udfordring til dette.

Kvantespringet i Hall-effekten

Kvantemekanikkens bølger organiserer elektronerne på en række langs materialets ende.

I resten af materialet dannes der ikke disse elektronbærende rækker. Det er kun i hver ende af materialet, at der dannes disse to rækker. Én for spin op-elektroner og én for spin ned.

Rækkerne har en egenskab, der gør, at elektronerne i rækkerne ikke bliver påvirket af uorden eller defekter, som typisk giver modstand og energitab.

Denne organisering af elektronerne, hvor de opdeles i spin op og spin ned, kendes som kvantespringet i Hall-effekten. Hvilket også er et eksempel på topologiske isolatorer, som består af en elektrisk isolator, der ikke har frie elektroner indeni, men som kan lede elektricitet udenpå.

Disse materialer viser en grundlæggende forskellig organisering af elektroner, og det ser lovende ud for spintronics' anvendelsesmuligheder.

Er den usædvanlige Hall-effekt omkring os hele tiden?

I det nye studie foreslår forskerne, at denne tilsyneladende usædvanlige Hall-effekt faktisk er omkring os hele tiden. Og vi skal ikke kigge nærmere på elektroner for at finde det, men på lyset.

I Maxwells lysteori er lys en elektromagnetisk bølge. Det betyder, at bølgen bevæger sig i synkrone svingninger af elektriske eller magnetiske felter.

Ved at se på, hvordan disse elektriske eller magnetiske felter roterer, mens bølgen forplanter sig, kunne forskerne definere det såkaldte 'tværgående spring', der spiller en rolle for elektronet i kvantespringet i Hall-effekten.

I et homogent medium, som luft, er springet præcis nul. Men ved kontaktfladen imellem to media (eksempelvis luft og guld), ændrer bølgen sig drastisk, og der opstår tværgående spring.

Ydermere er springets retning den samme som lysbølgernes retning på kontaktfladen. Det betyder, at vi kan se, at de grundlæggende topologiske indholdsstoffer af kvantespringet i Hall-effekten, som vi kender for elektroner, er fælles for lysbølger.

Bedre computerteknologi

Opdagelsen er vigtig, fordi der har været en række højprofilerede forsøg, der viser koblingen imellem lys, og retningen lyset forplanter sig.

Dette nye studie giver en integreret forståelse af de forgående forsøg, der viser lysets trang til at kvantespringe.

Det nye studie pointerer også en vis universel karakter i bølgens overflade, uanset om de er elektromagnetiske bølger eller Maxwells lysbølger.

Mere viden om elektronkredsløbet åbner nye muligheder for at kunne kontrollere lys på en nanoskala.

Derudover kan elektronkredsløbet eksempelvis bruges til at omdirigere optiske signaler, hvilket kan forbedre en computers ydeevne, da spin-effekten bruges til hurtigere at aflede optiske signaler baseret på deres spin.

Ved anvendelse af det foreslåede i eksempelvis optisk kommunikation, vil det være interessant at se, hvilken indvirkning denne nye vinkel på en gammel teori kan udvikle.

Clive Emary hverken arbejder for, rådfører sig med, ejer aktier i eller modtager fondsmidler fra nogen virksomheder, der vil kunne drage nytte af denne artikel, og har ingen relevante tilknytninger. Denne artikel er oprindeligt publiceret hos The Conversation.

Oversat af Ida Kløvgaard