Les scientifiques de l'ITMO, Université de Sheffield, et l'Université d'Islande a prouvé que le mouvement des électrons et des photons dans des matériaux bidimensionnels à symétrie hexagonale, comme le graphène, se soumet aux mêmes lois. Maintenant, les propriétés des électrons dans les solides peuvent être modélisées à l'aide de systèmes optiques classiques où cette tâche peut être résolue plus facilement. L'article a été publié dans Photonique de la nature .

Le graphène est le matériau bidimensionnel le plus connu, et il est durable et a une conductivité élevée. Andre Geim et Konstantin Novoselov ont reçu le prix Nobel de physique 2010 pour son développement. En dépit d'être «léger, ' c'est 300 fois plus résistant que l'acier. Ses propriétés uniques sont liées à sa structure. Le comportement des électrons dans un matériau dépend en grande partie de la géométrie du réseau cristallin de la substance. Dans le cas du graphène, les atomes de carbone forment des cellules hexagonales, ainsi les électrons peuvent se comporter comme des particules de masse effective nulle, malgré avoir la masse en réalité.

"Ce comportement des électrons dans le graphène est décrit par les lois de la mécanique quantique, où l'électron n'est pas perçu comme une particule qui se déplace autour du noyau d'un atome mais comme une onde matérielle. Les propriétés particulières des ondes de nature physique différente ne dépendent que de la symétrie d'un système. Cela permet de créer du « graphène photonique ». Il ressemble à une fine plaque transparente qui ressemble à un nid d'abeille. Si les électrons peuvent se comporter comme des particules sans masse dans le graphène classique, ici, les photons se comportent de manière similaire, " explique Alexey Yulin, chercheur à la Faculté de Physique et d'Ingénierie de l'ITMO.

Des scientifiques de Russie, L'Angleterre et l'Islande se sont donné pour mission de reproduire la dynamique des électrons sans masse qui ont un spin dans le graphène en utilisant une lumière sans masse qui se propage dans un système optique. Ayant créé une contrepartie optique du graphène, ils ont étudié les effets qui émergent lorsqu'on l'influence avec des photons :il est excité par une émission laser focalisée qui tombe sous un angle spécifique. Un changement de l'angle d'incidence de la lumière tombant sur un système photonique a permis l'émergence d'ondes avec les propriétés souhaitées.

Dans l'article, les scientifiques ont étudié un cas où ils ont excité sélectivement des photons sans masse dans du graphène photonique. La comparaison de la théorie et de l'expérience a montré que le modèle mathématique proposé reproduit les résultats expérimentaux. En comparaison, ils ont également étudié un cas où la lumière dans le graphène photonique se comporte comme des particules régulières avec une masse non nulle.

Au cours de l'expérimentation, les physiciens ont découvert que les effets de polarisation sont similaires aux effets de spin bien connus en physique du solide. Les scientifiques ont également prouvé la possibilité de décrire ces phénomènes à l'aide d'équations du domaine de la physique classique. Désormais, les propriétés difficiles à mesurer ou à contrôler dans les solides peuvent être étudiées à l'aide de systèmes photoniques où ces tâches peuvent être résolues relativement facilement.

"Grâce aux processus qui se déroulent dans le graphène ordinaire étant similaires à ceux des systèmes photoniques, les systèmes optiques peuvent être utilisés pour imiter la dynamique de spin des électrons. L'étude des interactions spin-orbitales dans le graphène photonique peut conduire à une meilleure compréhension des effets similaires observés dans l'électronique à l'état solide. Quoi de plus, les résultats nous incitent à rechercher de telles similitudes dans d'autres systèmes, par exemple dans le graphène acoustique, " conclut Alexey Yulin.