В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, показав, что свет состоит из квантов — фотонов, которые выбивают электроны из вещества. Это открытие заложило основы квантовой механики. Спустя 100 лет физики Петр Казинский, Владислав Рякин и Марк Мокринский из Томского государственного университета предложили новую главу в этой истории. Они исследовали, как закрученные фотоны — световые волны, несущие орбитальный угловой момент, — могут генерировать закрученные электроны. Статья опубликована в журнале Proceedings of the Royal Society A (Q1).
Обычный свет можно представить как плоские волны, но закрученные фотоны имеют спиралевидный волновой фронт — словно штопор. Они несут не только энергию и импульс, но и отличный от нуля орбитальный угловой момент — своеобразное вращение вокруг оси распространения. Аналогично, закрученные электроны — это частицы, чьи волновые функции закручены в пространстве, что придает им уникальные квантовые свойства.
Такие электроны перспективны для квантовых вычислений, сверхчувствительной микроскопии и изучения топологических материалов. Однако существующие методы их генерации сложны и требуют специализированных установок. Авторы статьи объяснили, что поверхностный фотоэффект — явление, при котором свет выбивает электроны из кристалла, — может стать простым и эффективным источником закрученных электронов, если использовать закрученные фотоны.
— Мы показали, что при правильных условиях поверхностный фотоэффект может быть надежным источником закрученных электронов, — говорит аспирант физического факультета ТГУ Владислав Рякин. — Это открывает путь к более простым экспериментальным установкам по сравнению с существующими методами.
Ученые ТГУ разработали квантовую теорию поверхностного фотоэффекта для «закрученных» фотонов. Оказалось, что не любой материал подходит для создания источника закрученных электронов. В обычных металлах (например, меди) электроны слишком быстрые (имеют высокий фермиевский импульс), и их орбитальный момент размазывается. Однако в слабо легированных полупроводниках (например, n-InSb) и дираковских полуметаллах при низких температурах (менее 2,5 К для n-InSb и менее 60 К для полуметаллов) угловой момент фотона почти полностью передается фотоэлектрону.
— Интересно, что дираковские полуметаллы, такие как Cd₃As₂ или Na₃Bi, работают при более высоких температурах, чем n-InSb, — добавляет студент физического факультета ТГУ Марк Мокринский. — Возможно, в будущем мы увидим устройства на их основе, генерирующие закрученные электроны при температурах жидкого азота.
Спустя 135 лет после работ Александра Столетова и 120 лет после работы Альберта Эйнштейна фотоэффект продолжает удивлять. Теперь этот, уже классический феномен открывает доступ к современным нанотехнологиям, где закрученные частицы играют ключевую роль.
— Наше исследование предлагает новый способ создания закрученных электронов без сложных установок. Следующий шаг — экспериментальная проверка. Если метод подтвердится, это может привести к прорывам в электронной микроскопии и квантовых технологиях, – резюмирует профессор физического факультета ТГУ Петр Казинский.
Полный текст статьи «Поверхностный фотоэффект на закрученных фотонах в качестве источника закрученных электронов» опубликован в Proceedings of Royal Society.
См. также:
P.O. Kazinski, M.V. Mokrinskiy, V.A. Ryakin. Surface photoelectric effect by twisted photons as a source of twisted electrons // Proc. R. Soc. A. – 20240777. – 2025. -https://arxiv.org/abs/2409.08152.