Человечество на протяжении тысячелетий ежедневно использовало отражение света от металлического зеркала, но квантово-механическая магия, стоящая за этим знакомым явлением, только сейчас раскрывается.
«Физики описывают физические явления в терминах взаимодействий между полями и частицами», – говорит ведущий автор Хрвое Петек, профессор Ричарда Кинга Меллона из отдела физики и астрономии Кеннета П. Школа искусств и наук Дитриха. Когда свет (электромагнитное поле) отражается от металлического зеркала, он встряхивает свободные электроны металла (частицы), и последующее ускорение электронов создает почти идеальную копию падающего света (отражение).
Классическая теория электромагнетизма дает хорошее понимание входов и выходов этого процесса, но микроскопическое квантово-механическое описание того, как свет возбуждает электроны, отсутствует.
Команда Петека, состоящая из физиков-экспериментаторов, физиков-теоретиков и химиков из Университета Питтсбурга и Института физики в Загребе, Хорватия, сообщает о том, как свет и материя взаимодействуют на поверхности кристалла серебра. Они впервые наблюдают экситон в металле.
Известно, что экситоны, частицы взаимодействия света и вещества, при которых фотоны света временно запутываются с электронами в молекулах и полупроводниках, играют фундаментальную роль в таких процессах, как фотосинтез растений и оптическая связь, которые являются основой Интернета и кабельного телевидения. Оптические и электронные свойства металлов заставляют экситоны существовать не более 100 аттосекунд (0.1 квадриллионная секунды).
Такое короткое время жизни затрудняет ученым изучение экситонов в металлах, но также позволяет отраженному свету быть почти идеальной копией падающего света.
Тем не менее, Бранко Гумхальтер из Института физики предсказал, а Петек и его команда экспериментально обнаружили, что поверхностные электроны кристаллов серебра могут поддерживать экситонное состояние более чем в 100 раз дольше, чем массивный металл, что позволяет экспериментально фиксировать экситоны в металлах. с помощью недавно разработанной многомерной когерентной спектроскопической техники.
Способность обнаруживать экситоны в металлах проливает свет на то, как свет преобразуется в электрическую и химическую энергию в растениях и солнечных элементах, и в будущем это может позволить металлам функционировать в качестве активных элементов в оптических коммуникациях. Другими словами, можно контролировать, как свет отражается от металла.