Почему волны в сверхтонких материалах не подчиняются учебнику физики: открытие ученых МФТИ
Закон отражения волн, неизменный почти два столетия, дает сбой, если волна заперта в слое толщиной в несколько атомов — при отражении она задерживается не на привычные полпериода, а на восьмую его часть, и именно эта нестандартная задержка позволяет делать резонаторы для ТГц-приборов в разы компактнее.
В школе закон отражения выглядит просто: угол падения равен углу отражения. Для зеркал и антенн этого достаточно, но для расчета настоящих приборов важен еще один параметр — фаза отражения, то есть на какую долю периода колебаний отраженная волна отстает от падающей.
Формулы для нее вывел Огюстен Френель в начале XIX века, еще до максвелловской теории электромагнитных волн. Согласно им, при отражении от непоглощающей поверхности задержка могла принимать только два значения: либо ноль, либо ровно половину периода. Два века экспериментов на трехмерных волнах и гладких поверхностях это подтверждали без исключений.
От фазы напрямую зависит устройство резонатора — камеры, которая удерживает волну за счет многократных отражений от стенок. Чтобы волны в ней складывались, а не гасили друг друга, расстояние между стенками должно вмещать целое число полуволн.
По этому же принципу устроена, например, камера микроволновки: ее размеры кратны половине длины волны на рабочей частоте.
Что меняется в двумерном мире
Все это работает, пока волна электромагнитная остается трехмерной. Если же ее искусственно ограничить в одном из направлений и разрешить распространяться вдоль одной плоскости — например, вдоль материала толщиной в несколько атомных слоев, — поведение меняется. Такие волны называются двумерными плазмонами: в них одновременно колеблются электромагнитное поле и электроны, но сами электроны заперты в тонком проводящем слое.