Světlo polapené na topologické nanočástici. Kredit: Vincenzo Giannini.

V běžných materiálech je to tak, že světlo reaguje s celou populací elektronů, které se vyskytují na povrchu i uvnitř takového materiálu. Nemusí to tak ale být vždycky. Vědci Královské univerzity v Londýně prozkoumali teoretické modely chování světla a nedávno objevené třídy materiálů – takzvaných topologických izolátorů (topological insulators), které vedou elektrický proud po svém okraji či povrchu. Nakonec zjistili, že světlo, tedy fotony, mohou interagovat s jediným elektronem na povrchu topologického izolátoru.

V takovém případě lze s jistou nadsázkou říct, že vznikne doposud neznámá forma světla (v tomto případě „forma světla“ s velkými uvozovkami – ale lépe se o tom píše), která v sobě spojuje některé vlastnosti světla a elektronu. Autoři studie by řekli, že světlo společně s elektronem vytvoří doposud neznámý stav podobný plazmonu v kovové nanočástici. Například, za normálních okolností se světlo šíří přímo, když se ale uvedeným způsobem spojí s elektronem, tak pak sleduje jeho trajektorii. Protože jde o elektron topologického izolátoru, tak se pohybuje po povrchu materiálu. 

Vincenzo Giannini. Kredit: Imperial College London.

Za studií, kterou ve svém novém čísle uveřejnil časopis Nature Communications, je Vincenzo Giannini se svými kolegy. Namodelovali si interakci světla s nanočásticemi, tedy kuličkami o průměru stomiliontiny metru, které byly v jejich modelu vytvořené z topologického izolátoru. Modely jim vyjevily, že světlo v takovém případě přijme vlastnosti elektronu a obíhá kolem něj, zatímco elektron zase obdrží některé z vlastností světla.

Logo Imperial College London.

Čím by takové modelování mohlo být zajímavé? Krom toho, že je jistě vzrušující samo o sobě, může také významně prospět budoucím fotonickým obvodům. Když v normálních elektrických obvodech běhají elektrony a narazí na nějaký defekt, tak jsou v háji. Giannini s kolegy si ale všimli, že když elektron v interakci se světlem narazí na defekt na povrchu nanočástice topologického izolátoru, tak si z toho elektron nic nedělá a směle pokračuje dál. Pokud by se tohle povedlo využít vývojářům fotonických obvodů, tak budou odolnější vůči defektům a poškození. Což není k zahození.

Giannini je přesvědčen, že výsledky jejich výzkumu budou mít velký vliv na to, jakým způsobem vnímáme světlo. Rovněž si pochvaluje topologické izolátory. Byly objeveny teprve v posledním desetiletí a už nás zásobují spoustou nových fenoménů, které můžeme studovat. Giannini se také nechal slyšet, že jevy, které teď jeho tým modeloval, je možné pozorovat již se soudobou technologií. Sami už na tom pracují, takže o světle zkříženém s elektrony nejspíš zase brzy uslyšíme.


Literatura
Imperial College London 5. 8. 2016, Nature Communications online 5. 8. 2016.