
Международная
группа физиков-теоретиков показала,
что предсказанная недавно возможность
влиять на спины электронов закрученным
светом может быть выведена на основе
одного из фундаментальных уравнений
современной физики — уравнения Дирака.
Соответствующий математический вывод
приведен в статье, опубликованной в
журнале Physical Review B.
Два
года назад в ведущем научном физическом
журнале Physical Review Letters вышла
удивительная статья сотрудников
университета Арканзаса (США), в которой
предсказывалось наличие взаимодействия
между орбитальным моментом света,
распространяющегося в среде, и магнитным
моментом этой среды. Несмотря на то, что
предсказание было основано на анализе
относительно простых и давно известных
классических уравнений, до 2013 года
никто, по всей видимости, на наличие
этого взаимодействия внимания не
обращал.
Магнитным
моментом среды называется величина,
характеризующая магнитные свойства
вещества. Возникновение магнитного
момента в веществе может быть вызвано
или вращением заряженных частиц (обычно
электронов) в нем, или собственным
магнитным моментом этих частиц — так
называемым спином.
Известно
также, что если в веществе распространяется
свет, имеющий ненулевой орбитальный
момент (такая световая волна имеет
необычную закрученную структуру,
подробнее о которой можно почитать,
например, здесь),
то он может передать этот момент среде,
придав вращение ей и составляющим ее
частицам. На этом явлении основана
работа, например, оптических «гаечных
ключей» (спаннеров), позволяющих при
помощи лазерных импульсов закручивать
микрообъекты.
Но
если свет может закрутить среду, то он
может закрутить и электроны в этой
среде, создав тем самым магнитный момент.
Именно это и было показано в опубликованной
работе. Однако, в ней делалось и более
сильно утверждение: с помощью закрученного
света можно управлять и собственными
магнитными моментами электронов, спинами, которые не связаны ни с какими
механическими вращениями.
Это
утверждение, однако, было сделано на
основе исключительно соображений
симметрии и неких общих формул
электродинамики. Физическая же природа
этого взаимодействия была ясна не до
конца. Чтобы решить эту проблему, два
автора статьи в Physical Review Letters совместно
с группой теоретиков из университета
Уппсалы (Швеция) и университета Париж-Сакле
(Франция) рассмотрели вывод предсказанного
взаимодействия из уравнения Дирака — фундаментального уравнения квантовой
физики, описывающего движение электрона
с учетом наличия у него спина, а также
релятивистских эффектов. Этот вывод и
был опубликован в новой статье.
Оказалось,
что связь между орбитальным моментом
света и спином электрона, которое авторы
называют орбитальным магнитоэлектрическим,
во многом аналогична хорошо известному
в атомной физике спин-орбитальному
взаимодействию между спином электрона
и его вращательным движением. Так же как и спин-орбитальное, орбитальное
магнитоэлектрическое взаимодействие
является чисто релятивистским эффектом,
не требующим, однако, чтобы скорость
частицы была близка к скорости света.
Орбитальное
магнитоэлектрическое взаимодействие,
по утверждению авторов работы, может
объяснить многие уже известные
магнитооптические эффекты, в том числе
и те, которые до этого оставались не
понятыми детально. Например, она объясняет
существование так называемой спин-токовой
модели в мультиферроиках, позволяющей
управлять магнитными
свойствами вещества при помощи
электрических полей или наоборот,
диэлектрическими свойствами при помощи
магнитных полей.
То
же взаимодействие дает вклад и в еще
один важный эффект — возникновение
магнитного поля при прохождении через
вещество закрученного света. Это явление,
известное как обратный эффект Фарадея,
вызывает в последние годы повышенный
интерес в связи с перспективностью его
использования для сверхбыстрой магнитной
памяти.
Пользуясь
предсказанным новым типом магнито-оптического
взаимодействия, авторы объясняют также
и более традиционные эффекты, такие как
плоский и аномальный эффекты Холла, а
также анизотропное магнетосопротивление
в ферромагнетиках. Это позволяет ожидать,
что их работы будут полезны в стремительно
развивающейся в наши дни спинтронике,
в рамках которой разрабатываются
принципиально новые способы передачи,
хранения и управления информацией.
Пока, однако, если судить по цитируемости
обсуждаемых работ, большого интереса
у других ученых они не вызвали.
Артем Коржиманов
