Поведение света, падающего под углом к поверхности раздела двух сред – задача, казалось бы, давно решенная и описанная в учебниках, так что трудно здесь ожидать каких-либо сюрпризов. Однако малоизвестным остается тот факт, что при преломлении света две его поляризованные по кругу составляющие оказываются пространственно разделенными (рис. 1). Несомненно, подобные причуды оптики интересны и сами по себе, но в связи с развитием спиновой электроники, те оптические явления, в которых задействован момент количества движения, привлекают к себе особое внимание исследователей.
Рис.1. Эффект Фёдорова-Имберта: пространственное разделение циркулярно- поляризованных компонент луча после преломления.
Данный эффект, был предсказан Фёдоровым в 1955 году, а экспериментально обнаружен Имбертом в 1972 году. Что заставляет преломленный луч расслаиваться и смещаться в сторону от плоскости падения, вопреки устоявшимся представлениям геометрической оптики? Оказывается, здесь вмешивается принцип еще большей степени общности: преломление по сценарию, описанному в школьных учебниках, нарушает закон сохранения момента количества движения. Из симметрии задачи следует, что нормальная к поверхности компонента момента импульса должна сохраняться. При падении луча света под прямым углом к поверхности с этим проблем не возникает, однако при скользящем освещении, когда направления падающего и преломленного луча сильно отличаются, разница в моментах импульса становится явной, и чтобы ее скомпенсировать преломленный луч с круговой поляризацией смещается в сторону от точки падения.
Справедливости ради и в оправдание школьных учебников надо сказать, что это смещение совсем незначительное – меньше длины волны, так что явление, строго говоря, выходит за пределы области применимости геометрической оптики. Обнаружение такого малого смещения представляет собой непростую задачу для экспериментатора, и методы измерения столь деликатных эффектов постоянно совершенствуются.
Недавно был предложен способ измерения эффекта путем сканирования поверхности раздела сред дополнительным лучом накачки (рис. 2). Пятно от сфокусированного излучения накачки играет роль своего рода апертуры, локально изменяя характеристики среды (в качестве материала использовался полупроводник, а не традиционно используемое стекло). Перемещая пятно накачки с помощью пьезоэлектрической подачи с нанометровой точностью, исследователи получают сигнал, представляющий собой свертку профиля пятна накачки и пробного луча, претерпевающего расщепление на поляризованные по кругу компоненты (чтобы избежать такого же расщепления луча накачки, его направляют под прямым углом к поверхности). Данный метод позволяет фиксировать смещение лучей вследствие эффекта Фёдорова-Имберта с точностью, доступной сканирующим зондовым методам (в данном случае смещение составляло 200нм).
Рис. 2. Метод измерения эффекта Фёдорова-Имберта с применением дополнительного излучения накачки (pump), луч которой сканирует по образцу.
Эффект Фёдорова-Имберта в последнее время стали также называть спиновым эффектом Холла для света, имея в виду его аналогию с открытым позднее спиновым эффектом Холла. Спиновый эффект Холла состоит в поперечном сносе электронов, в зависимости от направления спина, вправо или влево по ходу движения при протекании электрического тока через проводник. Причиной обоих эффектов является спин-орбитальное взаимодействие в веществе. Роднит эффекты и возможная область применения – спиновая электроника. Спиновый эффект Холла можно использовать для создания неравновесной концентрации поляризованных по спину электронов, а его оптический аналог - для картирования пространственного распределения спиновой плотности. Особо стоит подчеркнуть, что нанометровое пространственное разделение поляризованного излучения может быть регулируемо простым изменением угла падения света.
