نوری که به سطح یک فلز تحت یک زاویه تابیده می‌شود باعث می‌شود الکترون‌هایی در جهت خلاف حرکت نور فرستاده شوند؛ نتیجه‌ای که نظریه‌پردازان را متحیر ساخته است.

فیزیک‌دانان از مدت‌ها پیش فرض می‌کرده‌اند که نوری که به سطح یک فلز در یک زاویه تابیده می‌شود الکترون‌های آزاد را به جلو می‌راند در حالی‌که آزمایش‌های اخیر نتیجه‌ی معکوسی را ارائه داده‌اند: بنظر می‌رسد نور فرودی الکترون‌ها را عقب می‌کشد. بر اساس آزمایش‌های جدید، اکنون تیمی از پژوهش‌گران، حداقل بر پایه نتایج آزمایشگاهی، شرحی نسبی را در این مورد ارائه داده‌اند. فلزات در خلاء یک طرفه عمل می‌کنند در حالی‌که فلزاتی که در معرض هوا قرار می‌گیرند رفتار متفاوتی از خود نشان می‌دهند شاید به دلیل آن‌که نور با مولکول‌هایی که به سطح چسبیده‌اند اندرکنش می‌کند. این آزمایش‌ها پژوهش‌گران را در مورد چگونگی اندرکنش نور با مواد جامد دچار شک و تردید کرده است؛ دانشی که در هسته‌ی فناوری فیزیک فوتونیک نهفته است.

فیزیک‌دانان می‌دانند نوری که از سطح یک فلز می گذرد بخشی از اندازه‌حرکت خود را به فلز می‌بخشد. چون فلزات رساناهای خوبی محسوب می‌شوند (به واسطه‌ی الکترون‌های آزاد بی‌شماری که در سطح‌شان دارند) نظریه‌پردازان نیز فرض کرده‌اند که نور فرودی به الکترون‌ها برخورد کرده و آن‌ها را به پیش می‌راند. اثری که به کشش فوتونی (photon drag) معروف است. تاثیر این پدیده در تلاش‌هایی که برای مهندسی اندرکنش‌های نور-فلز در قطعات نانوفوتونیک وجود داشته، دیده شده است.

جارد استرایت (Jared Strait) از موسسه‌ی ملی استانداردها و فناوری‌ها (NIST) در گایدرزبرگ مریلند می‌گوید: «الکترون‌های آزاد در رسانندگی فلزات ساده شبیه طلا غالب هستند، بنابراین فرض عمومی آن بوده است که در ابتدا الکترون‌های آزاد در این فرآیند در میان اجزای تشکیل دهنده‌ی فلز اندازه‌حرکت بدست می‌آورند». در حقیقت برخی از آزمایش‌ها با نور لیزر که به سطح فلزی جهت گیری می‌شوند تنها به این خروجی و نتیجه منجر شده‌اند. به هر حال دیگر آزمایش‌ها نتیجه‌ی معکوسی گرفته‌اند: نور فرودی که در یک زاویه برخورد می‌کند جریانی را تولید کند که خلاف جهت جریانی که نور فرود می‌آید شارش پیدا می کنند.

پژوهش‌گرانی که توسط استرایت و هنری لزچ (Henri Lezec) (از NIST) رهبری می‌شوند، با امید به اینکه بتوانند توضیحی بر این تفاوت‌ها بیابند، مجموعه‌ی جدیدی از آزمایش‌ها را به راه انداخته‌اند. در یک آزمایش اولیه استرایت و همکارانش در تلاش بوده‌اند تا این مسئله را ساده کنند و به آزمایشی پرداخته‌اند که در آن نور به یک لایه‌ی طلایی که در خلاء نگاه داشته شده برخورد می‌کند؛ جایی‌که هیچ مولکول‌ سرگردانی نمی‌تواند سطح فلز را تحت تاثیر قرار دهد. این تیم یک لیزر فروسرخ را به سوی سطح فلز در یک زاویه هدف گرفته‌اند و الکترودی را در انتهای دیگر آن فلز قرار داده‌اند. این الکترود هر ولتاژی که نور باعث حرکت الکترودها می‌شود در طول فلز آشکارسازی می‌کند که می‌تواند بار منفی اضافی در انتهای دیگر آن ایجاد کند.

قطعات نانوفوتونیک همچون تراشه‌های فوتونی بر روی ویفر سیلیکونی، نور را با الکترونیک یکجا جمع می‌کنند. درک اندرکنش نور با ماده برای توسعه‌ی این فناوری اساسی است اما نتایج جدید به وضوح نشان می‌دهد که پژوهش‌گران کاملاً نمی‌دانند وقتی نور به یک سطح فلزی برخورد می‌کند چه اتفاقاتی می‌افتد!

همان‌طور که آن‌ها زاویه را تغییر می‌داده‌اند، ولتاژی را که عمدتاً با انتظارات نظری هم‌خوانی داشته اندازه گرفته‌اند؛ انتظاراتی که بر اساس تصویر نورِ هل دهنده‌ی الکترون‌ها بوده است. با این حال ولتاژی که آن‌ها اندازه گرفته‌اند برخلاف انتظارشان بوده و جریانی را در خلاف شارش جریان در جهت نادرست نشان می‌داد. به گفته‌ی استرایت این یک اثر عجیب و غریب است. و چنان است که گویی الکترون‌ها تاحدودی برای شارش در خلاف جهت نوری که به آن برخورد می‌کند مدیریت می‌شوند.

این تیم همچنین آزمایش‌هایی را با فلزی که در معرض هوا قرار داشته به انجام رسانده‌اند که تقابل قابل‌توجهی دارد؛ نور، الکترون‌ها را به جلو هول می‌دهد. به بیان استرایت این نتایج نشان می‌دهند که آزمایش‌های پیشین در واقع ناسازگار نبوده‌اند اما اندرکنش‌های نور با سطح یک فلز بسیار پیچیده‌تر از آن چیزی است که پیش‌تر اعتقاد بر آن بود. «دیگر نمی‌توانیم از این جریان روبه عقبِ خلاف انتظار چشم‌پوشی کنیم. این نشانه‌ای شگفت‌آور از پیچیدگی سیستم حالت جامد است».

استفان بارنت از دانشگاه گلاسگوی انگلستان می‌گوید: «این یافته‌ها غیرمنتظره و پازل‌گونه‌اند. در واقع کاملاً مطمئن نیستم که چه چیزی باعث این پدیده می‌شود. به وضوح چیزهای زیادی برای درک این اندرکنش مابین نور و سطوح باقی می‌ماند.»

به بیان بلچ یک ایده‌ی بسیار نظری آن است که فوتون‌های فرودی نه تنها بر روی الکترون‌های آزاد در فلز بلکه با الکترون‌های موسوم به الکترون‌های هسته اندرکنش کنند؛ الکترون‌هایی که قادر نیستند آزادانه در ماده حرکت کنند. وی پیشنهاد می‌دهد که به روش ناشناخته‌ای ممکن است این اندرکنش‌ها به جریانی در جهت مخالف بیانجامد.

به گفته‌ی استرایت، گام بعدی پیشنهاد یک نظریه‌ی مفهومی است که قدرت پیش‌بینی داشته باشد و بتواند جریان رو به عقب را توضیح دهد. به اعتقاد وی پاسخ این مسئله ممکن است از مقایسه‌های دیگری از این اثر در آزمایش‌هایی با فلزات مختلف و از جست‌وجوی رفتاری باشد که به قطبش نور فرودی وابسته است.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

نویسنده:

مارک بوچانان (Mark Buchanan) نویسنده‌ی آزاد علمی است که زمانش را مابین والوز در انگلستان و منطقه‌ی نورماندی در فرانسه می‌گذراند.

منبع:

Light Seems to Pull Electrons Backward