Свет расщепили по «спину».

Дата публикации: 16/01/2011
Категория: Новости лазерных технологий

Поведение света, падающего под углом к поверхности раздела двух сред - задача, казалось бы, давно решенная. Она описана в учебниках, и трудно ожидать здесь новых сюрпризов.
Однако малоизвестно, что при преломлении света две его составляющие, поляризованные по кругу, оказываются пространственно разделенными.
Несомненно, подобные причуды оптики интересны сами по себе, но в связи с развитием спиновой электроники те оптические явления, в которых задействован момент количества движения, привлекают к себе особое внимание исследователей. Данный эффект был предсказан Федоровым в 1955 году, а экспериментально обнаружен Имбертом в 1972.
Что заставляет преломленный луч расслаиваться и смещаться в сторону от плоскости падения вопреки устоявшимся представлениям геометрической оптики? Оказывается, здесь вмешивается принцип еще большей степени общности: преломление по сценарию, описанному в школьных учебниках, нарушает закон сохранения момента количества движения.
Из симметрии задачи следует, что нормальная к поверхности компонента момента импульса должна сохраняться. При падении луча света под прямым углом к поверхности такая проблема не возникает.
Однако при скользящем освещении, когда направления падающего и преломленного лучей сильно отличаются, разница в моментах импульса становится явной.
И чтобы ее скомпенсировать, преломленный луч с круговой поляризацией смещается в сторону от точки падения. Заметим, что это смещение совсем незначительное (меньше длины волны), так что явление выходит за пределы области применимости геометрической оптики.
Обнаружение такого малого смещения представляет собой непростую задачу для экспериментатора, и методы измерения столь деликатных эффектов постоянно совершенствуются. В недавней статье предложен способ измерения эффекта путем сканирования поверхности раздела сред дополнительным лучом накачки.
Пятно от сфокусированного излучения накачки играет роль своего рода апертуры, локально изменяет характеристики среды (в качестве материала выбран полупроводник, а не традиционно используемое стекло).
Перемещая пятно накачки с помощью пьезоэлектрической подачи с нанометровым разрешением, исследователи получают сигнал, представляющий собой свертку профиля пятна накачки и пробного луча, претерпевающего расщепление на поляризованные по кругу компоненты. (Чтобы избежать такого же расщепления луча накачки, его направляют под прямым углом к поверхности.)
Данный метод позволяет фиксировать смещение лучей вследствие эффекта Фёдорова-Имберта с точностью, доступной сканирующим зондовым методам (смещение составляло 200 нм). Эффект Фёдорова-Имберта в последнее время стали также называть спиновым эффектом Холла для света, имея в виду его аналогию с открытым позднее спиновым эффектом Холла. Этот эффект состоит в поперечном сносе электронов, в зависимости от направления спина, вправо или влево по ходу движения при протекании электрического тока через проводник.
Причиной обоих эффектов является спинорбитальное взаимодействие в веществе. Роднит эффекты и возможная область применения - спиновая электроника.
Спиновый эффект Холла можно использовать для создания неравновесной концентрации поляризованных по спину электронов, а его оптический аналог - для картирования пространственного распределения спиновой плотности. Особо подчеркнем, что нанометровое пространственное разделение поляризованного излучения можно регулировать простым изменением угла падения света.

Источник: «Фотоника», 2010, №5, с.22

Статьи по теме: