Científicos de ITMO, Universidad de Sheffield, y la Universidad de Islandia demostró que el movimiento de electrones y fotones en materiales bidimensionales con simetría hexagonal, como el grafeno, se somete a las mismas leyes. Ahora, las propiedades de los electrones en los sólidos se pueden modelar con la ayuda de sistemas ópticos clásicos donde esta tarea se puede resolver más fácilmente. El artículo fue publicado en Fotónica de la naturaleza .

El grafeno es el material bidimensional más famoso, y es duradero y tiene alta conductividad. Andre Geim y Konstantin Novoselov obtuvieron el Premio Nobel de Física 2010 por su desarrollo. A pesar de ser 'ligero, 'es 300 veces más fuerte que el acero. Sus propiedades únicas tienen que ver con su estructura. El comportamiento de los electrones en un material depende en gran medida de la geometría de la red cristalina de la sustancia. En el caso del grafeno, los átomos de carbono forman celdas hexagonales, así, los electrones pueden comportarse como partículas con masa efectiva cero, a pesar de tener misa en realidad.

"Este comportamiento de los electrones en el grafeno está descrito por las leyes de la mecánica cuántica, donde el electrón no se percibe como una partícula que se mueve alrededor del núcleo de un átomo, sino como una onda material. Las propiedades particulares de ondas de diferente naturaleza física dependen solo de la simetría de un sistema. Esto hace posible crear 'grafeno fotónico'. Se asemeja a una placa delgada transparente que parece un panal. Si los electrones pueden comportarse como partículas sin masa en el grafeno clásico, aquí, los fotones se comportan de manera similar, "explica Alexey Yulin, investigador de la Facultad de Física e Ingeniería del ITMO.

Científicos de Rusia, Inglaterra e Islandia se propusieron la tarea de reproducir la dinámica de los electrones sin masa que tienen espín en el grafeno utilizando luz sin masa que se propaga en un sistema óptico. Habiendo creado una contraparte óptica del grafeno, han estudiado los efectos que surgen al influir en él con fotones:es excitado por una emisión láser enfocada que cae bajo un ángulo específico. Un cambio en el ángulo de incidencia de la luz que incide sobre un sistema fotónico permitió la aparición de ondas con las propiedades deseadas.

En el artículo, Los científicos estudiaron un caso en el que excitaron selectivamente fotones sin masa en grafeno fotónico. La comparación de la teoría y el experimento mostró que el modelo matemático propuesto reproduce los resultados experimentales. Para comparacion, También han estudiado un caso en el que la luz en el grafeno fotónico se comporta como partículas regulares con una masa distinta de cero.

En el transcurso del experimento, los físicos descubrieron que los efectos de polarización son similares a los efectos de espín que son bien conocidos en la física del estado sólido. Los científicos también demostraron la posibilidad de describir estos fenómenos con la ayuda de ecuaciones del campo de la física clásica. Ahora las propiedades que son difíciles de medir o controlar en sólidos se pueden estudiar utilizando sistemas fotónicos donde estas tareas se pueden resolver con relativa facilidad.

"Gracias a que los procesos que tienen lugar en el grafeno regular son similares a los de los sistemas fotónicos, Los sistemas ópticos se pueden utilizar para imitar la dinámica de espín de los electrones. El estudio de las interacciones espín-orbital en el grafeno fotónico puede conducir a una mejor comprensión de los efectos similares observados en la electrónica de estado sólido. Y lo que es más, los resultados nos animan a buscar este tipo de similitudes en otros sistemas, por ejemplo en grafeno acústico, "concluye Alexey Yulin.