Фотоны не имеют ни массы, ни заряда, и поэтому ведут себя совсем не так, как их массивные аналоги, но у них есть общее свойство, называемое вращением, которое приводит к замечательным геометрическим и топологическим явлениям. Вращение — мера собственного углового момента — можно рассматривать как эквивалент вращения волчка. В исследовании, опубликованном в Science, команда обнаружила, что фотоны разделяют с электронами свойство, связанное со спином, — квантовый спиновый эффект Холла.«Ранее мы занимались изучением исчезающих электромагнитных волн, — говорит Константин Блиох, руководивший исследованием, — и мы осознали, что обнаруженные нами замечательные свойства, необычное поперечное вращение — это проявление того факта, что свет в свободном пространстве проявляет внутренний квантовый спиновый эффект Холла, означающий, что затухающие волны с противоположными спинами будут распространяться в противоположных направлениях вдоль границы раздела двух сред ».
Эванесцентные волны распространяются по поверхности материалов, таких как металлы, на границе с вакуумом, так же, как океанские волны возникают на границе раздела между воздухом и водой, и они экспоненциально затухают по мере удаления от границы раздела.Квантовый спиновый эффект Холла для электронов допускает существование необычного типа материала, называемого топологическим изолятором, который проводит электричество по поверхности, но не через объем материала. Команда была заинтригована, узнав, что аналогию можно найти для фотонов.
Хотя свет не распространяется через металлы, известно, что он может распространяться по границам раздела между металлом и вакуумом в форме так называемых поверхностных плазмонов, включающих затухающие световые волны. Группа смогла показать, что необычный поперечный спин, который они обнаружили в затухающих волнах, на самом деле был вызван внутренним квантовым эффектом Холла фотонов, и их результаты также объясняют недавние эксперименты, которые показали управляемое спином однонаправленное распространение поверхностных оптических мод.Блиох продолжает: «На чисто научном уровне это исследование углубляет наше понимание классической теории световых волн, разработанной Джеймсом Кларком Максвеллом 150 лет назад, а также может привести к приложениям с использованием оптических устройств, основанных на направлении вращения. "Франко Нори, организовавший проект, говорит: «Эта работа стала возможной благодаря междисциплинарному характеру RIKEN, поскольку мы смогли объединить открытия, сделанные в нескольких различных областях, чтобы показать, что поперечное вращение, привязанное к направлению распространения волны, кажется, универсальная особенность поверхностных волн, даже если они имеют различную природу ».