Ученые Томского государственного университета (ТГУ) описали новый тип переходного излучения. В работе, опубликованной в журнале Physical Review B, авторы показали, что в спиральных метаматериалах с сильной пространственной дисперсией релятивистский электрон испускает фотоны вперед — вдоль направления своего движения. Это не укладывается в рамки стандартной теории Гинзбурга—Франка для сред с локальным откликом, созданной в середине прошлого века.
Представьте себе релятивистский электрон, который подобно стреле пронзает лес закрученных проводящих спиралей. Пролетая насквозь, он рождает фотоны, но рождает их не так, как в обычной среде. Самое удивительное: часть этого света летит вперёд, туда же, куда движется сам электрон, — явление, которое в классической теории переходного излучения отсутствует. Классическая теория Гинзбурга — Франка описывает излучение, возникающее при переходе заряда из одной однородной среды в другую. Позже, в 1960 году, М.Л. Тер-Микаелян обобщил эту теорию на случай периодических сред, показав, что периодичность структуры порождает дополнительные максимумы в спектре — так называемое резонансное переходное излучение.
Когда заряженная частица пересекает границу раздела двух сред, она испускает фотоны. Гинзбург, лауреат Нобелевской премии, и его коллеги заложили фундамент целой области физики, которая сегодня находит применение в детекторах частиц, источниках рентгеновского излучения и даже в медицинской диагностике.
Однако все эти классические работы имели одно важное ограничение: они рассматривали среды, где электромагнитные свойства можно описать локально, то есть в каждой точке отклик среды зависит только от поля в этой же точке. Но что, если среда устроена сложнее? Что, если её отклик «помнит» о том, что происходит в соседних точках? Именно здесь в игру вступает пространственная дисперсия — явление, при котором диэлектрическая проницаемость зависит не только от частоты, но и от направления и величины волнового вектора.
В интервью «Ъ-Науке» профессор кафедры квантовой теории поля физического факультета Томского государственного университета Петр Казинский и младший научный сотрудник лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ, ассистент кафедры квантовой теории поля ФФ ТГУ Петр Королев рассказали, как спиральные метаматериалы «ломают» симметрию, почему они решили пересмотреть наследие Гинзбурга спустя десятилетия и что мешает провести прямую экспериментальную проверку прямо сейчас.
— Если совсем просто: что вы сделали и почему это сюрприз? Ведь классика Гинзбурга—Франка утверждала, что света вперед быть не может.
— Классическая теория Гинзбурга и Франка, созданная еще в середине прошлого века, блестяще описывала переходное излучение в обычных, однородных средах – там, где отклик вещества в каждой точке зависит только от поля в этой же точке. Однако мы решили выйти за эти рамки и обратились к среде совершенно иной природы — метаматериалу с искусственно созданной спиральной микроструктурой и, что самое важное, с сильной пространственной дисперсией. Проще говоря, мы рассмотрели случай, когда среда «помнит» о том, что происходит по соседству,— ее отклик нелокальный. И именно эта комбинация — спиральная микроструктура плюс сильная нелокальность — приводит к неожиданному результату: излучение возникает даже строго вдоль направления движения частицы, то есть появляется переходное излучение вперед, которое невозможно в рассмотренных классиками материалах.
Используемая авторами модель уже показала отличное согласие с независимыми численными расчетами и более ранними экспериментами. Это означает, что предсказанные эффекты могут быть проверены в лаборатории.
Полный текст интервью на сайте КоммерсантЪ.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда № 25-21-00283