Эксперимент с фотонами против теории давления света

Физики из США обнаружили, что падающие на поверхность золотой фольги фотоны притягивают свободные электроны, хотя закон сохранения импульса предсказывает другое направление тока. (Следствие этого закона пресловутое давление луча света.) Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщаетPhysics, препринт работы выложен на arXiv.org.

Особенно интересно рассмотреть рассеяние инфракрасных форонов на поверхности благородных металлов — золота и серебра. Поскольку проводимость этих металлов обусловлена свободными электронами то теория предсказывает, что эти электроны должны взаимодействовать с фотонами, а потом должны передать полученный импульс всему кристаллу. Следовательно, в небольшом слое около поверхности проводника должен течь небольшой ток, состоящий из отталкиваемых электронов. Поток электронов должен быть направлен перпендикулярно поверхности вдоль падающего луча света.

Группа физиков под руководством Генри Лезека (Henri Lezec) экспериментально показала, что при более внимательном рассмотрении теоретические соображения оказывается неверным — падающие лучи света не отталкивают, а притягивают свободные электроны. Если металл находится в вакууме, то поток электронов пропорционален импульсу падающего пучка света и не зависит от поляризации света (что совпадает с теорией), но направлен к поверхности образца (что противоречит теории). Если же переместить ту же пластинку в воздух, то на поток электронов наложится ток от молекулярных адсорбатов, и результирующее направление тока изменится на противоположное. Таким образом, большинство экспериментов по измерению потока электронов придется пересмотреть.

В основе эксперимента, поставленного физиками, лежала тонкая отполированная золотая фольга (толщиной всего 35 нанометров), напыленная на поверхность кварцевого стекла. В качестве источника света ученые выбрали инфракрасный лазер с длиной волны 800 нанометров, энергией импульса пять миллиджоуль и продолжительностью импульса около 20 пикосекунд. С помощью поляризационных пластинок физики могли изменять поляризацию конечного пучка, падающего на фольгу. Кроме того, направляя пучок под разными углами, исследователи регулировали его поперечный импульс, а вместе с ним и величину ожидаемого потока электронов. Чтобы измерить едва заметное напряжение, которое генерирует этот поток, ученые подключили фольгу к усилителю. Чтобы увеличить импульс пучка, предварительно прошедшего сквозь стекло, ученые отшлифовали стекло до полукруглой формы. Наконец, ученые поместили прибор в вакуумную камеру, откачали воздух до давления 10−8 атмосфер и несколько часов просвечивали его ультрафиолетовой лампой, чтобы удалить из камеры остатки воды. На втором этапе наблюдений та же камера заполнялась воздухом при нормальном давлении, влажности 20 процентов и температуре 20 градусов Цельсия.

Схема эксперимента с лучом света (a,b) и подключения золотой фольги ©Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Затем ученые измерили коэффициент передачи напряжения для разных конфигураций падающего луча, то есть коэффициент пропорциональности между генерируемым напряжением и средним импульсом падающих фотонов. Всего физики рассмотрели восемь случаев, которые определялись стороной пленки (чистой или «остекленной»), окружающей средой (вакуум или воздух) и s— или p-поляризацией. Теоретическое значение коэффициента, в рамках классической электродинамики, должно быть во всех случаях одинаковым и примерно равным −2,5 гигавольта на ньютон-секунду. На практике значения совпали с этим значением по порядку, но получились во всех восьми случаях разные. Более того, правильный знак физики получили только для одного случая — «голого», «неостекленного» бока пленки, помещенного в воздух и облученного p-фотонами.

Зависимость генерируемого перепада напряжений от угла падения света, стороны пластинки (показана во врезах) и поляризации (s-волны слева и p-волны справа)Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019
Значения коэффициента передачи напряжения для вакуума (верхний ряд) и воздуха (нижний ряд) в зависимости от поляризации луча (верхний индекс) и стороны пластинки (нижний индекс, f — «голая» сторона, g — «остекленная»)Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019
Зависимость генерируемого напряжения от времени заполнения (фиолетовый) и очистки (синий) камеры. Кроме того, рассмотрены случаи, в которых очистка дополняется облучением ультрафиолетом (красный) и нагревом до 400 кельвинов (желтый)Jared Strait et al. / Physical Review Letters, 2019

Источник материала

Теоретические упражнения по объяснению факта вполне можно опустить, ибо в них кроме словоблудия ничего нет. Реально фотоны движут частицы вещества только когда объединены с ними. И в данном случае фотоны объединяясь со связанными электронами металла создают потенциальную яму в месте контакта куда и движутся свободные электроны.

Такая же, по сущности, как с опмсанными выше электронами картина уже была получена U. Leonhardt (Институт имени Вейцмана в Реховоте, Израиль) и его коллегами из Университета имени Сунь Ятсена в Гуанчжоу (Китай). Они выполнили эксперимент по воздействию на поверхность жидкости световым пучком.  Источник New J. Phys. 17 053035 (2015)
http://dx.doi.org/10.1088/1367-2630/17/5/053035

Было выяснено, что значение имеет ширина луча и глубина сосуда с жидкостью. Когда исследователи использовали в своём эксперименте узкий сфокусированный луч, — на поверхности воды и минерального масла появлялась выпуклость.
Широкий пучок дал вогнутость поверхности для воды и для минерального масла.

Теорию под это подвели такую, что яко бы правы оказались одновременно оба теоретика столетней давности Г. Минковский и М. Абрагам, в 1908 году и 1909 году соответственно, предложившие взаимоисключающие теории прогибания и вспучивания поверхности жидкости под влиянием света.

Китайские физики, ведущим из которых был Вэйлун Шэ (Weilong She) вместо воды использовали отрезок оптоволокна длиной около 1,5 миллиметров и шириной в 650 нанометров.

Схема экспериментальной установки. Спровоцированные лазерным лучом движения отрезка оптоволокна (показано зеленым) фиксировались камерой. Изображение авторов исследования.

Физики рассчитывали, что вес оптоволокна окажется достаточно мал для того, чтобы движение кончика отрезка, вызванного прохождением луча света, можно было заметить. После начала эксперимента камера фотографировала отрезок оптоволокна с частотой 10 снимков в секунду. Анализ фотографий показал, что свет «заставлял» кончик отрезка отклоняться в направлении, противоположном направлению распространения света. Таким образом ученые решили, что смогли подтвердить правильность теории Абрагама.

См. здесь.

Оставить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *