ЛЕНТА

Фотогальванический эффект помог измерить орбитальный момент света

James R. Asher / International Journal of Quantum Chemistry, 2018

Тщательный подбор необходимой конфигурации фотодетектора позволил впервые реализовать орбитальный фотогальванический эффект и зарегистрировать фотоотклик, зависящий от орбитального углового момента падающего света. Работа опубликована в Science.

Спиновый орбитальный момент света однозначно связан с поляризацией и для каждого фотона может принимать значения S = ±ħ, где ħ — постоянная Планка. Однако, свет может также обладать орбитальным угловым моментом (ОУМ). Этот момент импульса L определяется не поляризацией, а пространственной структурой моды (грубо говоря, поперечным сечением светового пучка). Он связан с набегом фазы на замкнутом контуре, охватывающем ось распространения света. L также квантуется, то есть принимает значения, кратные постоянной Планка. Например, цилиндрически симметричные пучки Гаусса-Лаггера с ненулевым орбитальным числом m обладают моментом, равным L=mħ. Подробнее об ОУМ можно прочитать в блоге российского физика Игоря Иванова.

Передача и прием фотонов с ненулевым ОУМ рассматривается как перспективный способ построения фотонных сетей с высокой пропускной способностью. Как теоретические, так и экспериментальные работы говорят о том, что свет с ОУМ проявляет особенности при взаимодействии с веществом и может изменять правила отбора и генерировать необычный электрический отклик. Однако фотоотклик обычно не несет никакой информации о фазе. Характерный масштаб изменения векторного потенциала за счет ОУМ обычно превышает размер зоны Бриллюэна в веществе и поэтому мало влияет на процессы поглощения света. Таким образом, эффективное электрическое детектирование фотонов с ОУМ представляет серьезную проблему.

Для поиска возможности получить зависящий от ОУМ фотоотклик американо-китайская группа ученых под руководством Ритеша Агарвала (Ritesh Agarwal) рассчитала тензор проводимости под действием светового пучка Гаусса-Лаггера. Оказалось, что в первом порядке отклик не зависит от азимутального углового момента: зависимость от ОУМ появляется только в следующем порядке разложения по малому параметру (азимутальному моменту q, который на 3 порядка меньше размера зоны Бриллюэна). Это объясняет сложность обнаружения зависимого от ОУМ фотоотклика: ОУМ не изменяет дипольные правила отбора и значение фототока в основном определяется интенсивностью и поляризацией.

Таким образом, для измерения ОУМ необходимо создать детектор на основе материала, симметрия которого запрещает фотогальванический отклик, не зависящий от ОУМ, но поддерживает нелокальный отклик за счет азимутальной фазы. Ученые использовали монокристаллическую пленку из теллурида вольфрама WTe2, являющегося Вейлевским полуметаллом с большой нелинейной восприимчивостью. Помимо этого, требовалось создать электроды специальной U-образной формы, чтоб детектировать радиальную часть фототока, вызванную геликоидальной фазой. Для более полной информации требовалось модулировать поляризацию света и исключать из измерений дисперсионную часть фототока, пропорциональную локальной интенсивности света.

Схема детектора с ОУМ-чувствительным фотооткликом. Два U-образных электрода используются для измерения фототока, волникающего в тонкой пленке теллурида вольфрама. Свет направляется в центры кривизны электродов.

Zhurun Ji et al. / Science, 2020

Поделиться

Первоначальная проверка работоспособности устройства заключалась в обнаружении различий между пучками с ОУМ при m=1 и m=-1. Для этих случаев наблюдалась различная зависимость фотоотклика от поляризации света. Таким образом, было обнаружено явление, названное орбитальным фотогальваническим эффектом. В созданном детекторе свет передает свой орбитальный момент электронам, которые в свою очередь формируют фототок. Этот фототок определяется градиентом магнитного поля, и следовательно, меняет знак при изменении знака m.

Исследователи также измерили гистограммы фототока для различных значений m от −4 до 4, и эти результаты показали возможность определять точное значение m. В дополнение к этому, изучался фотоотклик на пучки с пространственно меняющейся поляризацией. Эти состояния света можно представлять как суперпозицию пучков с m и -m. Они также называются векторными ОУМ-пучками. Для различия таких состояний оказалось важным измерять азимутальную компоненту фотоотклика. Ради этого авторы использовали электроды в форме осьминога. Качественная зависимость фототока от параметров пучка подтвердила сделанные расчеты. Результаты работы открывают новое направление в топологической оптике и фотонике и могут использоваться для создания высокоэффективных детекторов орбитального углового момента света.

Гистограммы зарегистрированного фототока для различного значения ОУМ

Zhurun Ji at al. /Science, 2020

Поделиться

Топологические явления представляют значительный интерес для физиков и являются перспективной областью современной оптики. Мы писали о том, как физики связали время выхода электрона с угловым моментом фотона и объяснили влияние закрученного света на спин электронов. Недавно сообщалось, что метаповерхности помогли создать суперхиральный свет.

Алексей Дмитриев

источник

Похожие статьи

Одно Сообщение

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Кнопка «Наверх»
Do NOT follow this link or you will be banned from the site!
Установите приложение MEGANEWS на Google Play
УСТАНОВИТЬ
Закрыть
Закрыть

Обнаружен Adblock

Поддержите нас, пожалуйста, отключив блокировку рекламы.