Cientistas da ITMO, Sheffield University, e a Universidade da Islândia provou que o movimento de elétrons e fótons em materiais bidimensionais com simetria hexagonal, como o grafeno, se submete às mesmas leis. Agora, as propriedades dos elétrons em sólidos podem ser modeladas com a ajuda de sistemas ópticos clássicos onde essa tarefa pode ser resolvida mais facilmente. O artigo foi publicado em Nature Photonics .

O grafeno é o material bidimensional mais famoso, e é durável e tem alta condutividade. Andre Geim e Konstantin Novoselov receberam o Prêmio Nobel de Física 2010 por seu desenvolvimento. Apesar de ser 'leve, 'é 300 vezes mais forte que o aço. Suas propriedades únicas têm a ver com sua estrutura. O comportamento dos elétrons em um material depende muito da geometria da estrutura cristalina da substância. No caso do grafeno, átomos de carbono formam células hexagonais, assim, os elétrons podem se comportar como partículas com massa efetiva zero, apesar de ter massa na realidade.

"Este comportamento dos elétrons no grafeno é descrito pelas leis da mecânica quântica, onde o elétron não é percebido como uma partícula que se move ao redor do núcleo de um átomo, mas como uma onda material. Propriedades particulares de ondas de diferentes naturezas físicas dependem apenas da simetria de um sistema. Isso torna possível criar 'grafeno fotônico'. Assemelha-se a uma fina placa transparente que se parece com um favo de mel. Se os elétrons podem se comportar como partículas sem massa no grafeno clássico, aqui, fótons se comportam de maneira semelhante, "explica Alexey Yulin, pesquisador da Faculdade de Física e Engenharia da ITMO.

Cientistas da Rússia, A Inglaterra e a Islândia se encarregaram de reproduzir a dinâmica dos elétrons sem massa que têm spin no grafeno usando luz sem massa que se propaga em um sistema óptico. Tendo criado uma contraparte óptica do grafeno, eles estudaram os efeitos que surgem ao influenciá-lo com fótons:é excitado por uma emissão de laser focada que cai sob um ângulo específico. Uma mudança no ângulo de incidência da luz incidente sobre um sistema fotônico proporcionou o surgimento de ondas com as propriedades desejadas.

No artigo, os cientistas estudaram um caso em que excitaram seletivamente fótons sem massa no grafeno fotônico. A comparação entre teoria e experimento mostrou que o modelo matemático proposto reproduz os resultados experimentais. Para comparação, eles também estudaram um caso em que a luz no grafeno fotônico se comporta como partículas regulares com uma massa diferente de zero.

No decorrer do experimento, os físicos descobriram que os efeitos de polarização são semelhantes aos efeitos de spin que são bem conhecidos na física do estado sólido. Os cientistas também comprovaram a possibilidade de descrever esses fenômenos com o auxílio de equações do campo da física clássica. Agora, as propriedades que são difíceis de medir ou controlar em sólidos podem ser estudadas usando sistemas fotônicos onde essas tarefas podem ser resolvidas com relativa facilidade.

"Graças aos processos que ocorrem no grafeno regular serem semelhantes aos dos sistemas fotônicos, sistemas ópticos podem ser usados ​​para imitar a dinâmica de spin dos elétrons. O estudo das interações spin-orbitais no grafeno fotônico pode levar a uma melhor compreensão dos efeitos semelhantes observados na eletrônica de estado sólido. O que mais, os resultados nos incentivam a procurar essas semelhanças em outros sistemas, por exemplo, em grafeno acústico, "conclui Alexey Yulin.