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以一定角度撞击金属表面的光使电子沿与光相反的方向移动 这是令理论家困惑的结果

长期以来,物理学家一直认为光以一定角度撞击金属表面会推动自由电子向前移动,但最近的一些实验表明,相反入射的光似乎会向后拉电子。根据新实验,一组研究人员现在提供部分澄清,至少在实验方面。真空中的金属单向作用,而暴露于空气中的金属表现不同,可能是因为光首先与附着在表面上的分子相互作用。这些实验对研究人员对光与固体材料如何相互作用的基本理解产生了怀疑,这些知识是现代光子学技术的核心。

物理学家们知道,从金属表面掠过的光将为金属带来一些前向动量。由于金属是良导体,有大量电子可以在表面自由移动,理论家们还假设入射光会影响电子并使它们向前驱动,这种效应称为光子阻力。其效果在于努力在纳米光子器件中设计精细的光 - 金属相互作用。

“自由电子主导着像金这样的简单金属的电导率,”马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所(NIST)的Jared Strait说。“因此,一般的假设是自由电子应该首先在金属成分中获得动量。”事实上,一些激光指向金属表面的实验已经找到了这一结果。即便如此,其他实验也发现了相反的结果 - 以一定角度撞击的入射光产生的电流沿光的方向回流。

为了解释这些差异,由海峡两岸和Henri Lezec领导的研究人员现在也在NIST进行了一系列新的实验。在最初的实验中,Strait及其同事试图简化这个问题,试验光线照射在真空中的薄金膜,没有杂散分子会影响金属表面。该团队以掠射角将红外激光对准金属表面,并在金属样品的远端放置一个电极。如果光沿着金属驱动电子,则该电极将检测产生的任何电压,这将在远端产生过量的负电荷。

当他们改变角度时,团队测量的电压基本上与基于简单的光推电子图片的理论预期一致。然而,他们测量的电压与预期相反,这意味着电流流向错误的方向。这是一种奇怪的效果,“海峡说。”这就好像电子以某种方式被光线击中时会向后流动。“

该团队还对暴露在空气中的金属进行了实验,与之形成鲜明对比的是,光线将电子推向前方。这些结果表明,之前的实验实际上并不矛盾,但是光与金属表面的相互作用比以前认为的要复杂得多,Strait表示。“我们再也不能忽视这种反直觉的反向电流,”他说。“这是对固态系统复杂性的一个惊人迹象。”

英国格拉斯哥大学的量子光学专家斯蒂芬巴奈特说:“这一发现最让人意想不到,令人费解。” “我真的不太清楚该怎么做。显然,光与表面之间的相互作用还有很多东西需要理解。“

Lezec说,一个非常具有推测性的想法是,入射光子不仅可以作用于金属中的自由电子,还可以作用于所谓的核心电子,这些电子不能自由地穿过材料。他暗示,以某种未知的方式,这些可能会产生相反方向的电流。

“下一步,”海峡说,“是提出一个具有预测能力的综合理论来解释逆流。”他认为,答案可能来自于对不同金属实验效果的进一步比较和对于取决于入射光偏振的行为。

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