Четверо физиков из Хунаньского университета (Китай) провели эксперимент, в котором спиновый эффект Холла для света помогал измерять характеристики графеновой плёнки.

Эффект, который в отечественной литературе также называют эффектом Фёдорова — Имберта, состоит в пространственном разделении двух поляризованных по кругу составляющих света после его преломления. Поперечные смещения компонентов с левой и правой круговыми поляризациями, обозначенные на рисунке как δ+ и δ–, невелики и уступают длине волны, а потому и не рассматриваются в классической геометрической оптике. Величины δ+ и δ– можно регулировать, просто изменяя угол падения света θi.

Эффект Фёдорова — Имберта (иллюстрация авторов работы).

Можно заметить, что разделение составляющих излучения действительно напоминает спиновый эффект Холла — явление сдвига электронов с антипараллельными спинами к противоположным сторонам проводника при протекании тока. В основе обоих эффектов лежит спин-орбитальное взаимодействие в веществе.

Смещения δ+ и δ–, что важно, чувствительны не только к углу θi, но и к вариациям характеристик материала, на который падает излучение. Этими зависимостями и воспользовались авторы, разработавшие новую методику оценки показателя преломления графена и подсчёта монослоёв углерода, образующих графеновую плёнку.

Экспериментальная схема, в которой излучение попадает на графеновую плёнку, расположенную на оптическом стекле (иллюстрация авторов работы).

Измерительная схема, предложенная китайскими учёными, показана выше. Источником излучения с длиной волны в 633 нм в ней служит обычный гелий-неоновый лазер. Его свет направляется на полуволновую пластинку HWP, линзу L1 с коротким фокусным расстоянием и поляризатор P1 (лазерную призму Глана). Разделённые компоненты излучения деструктивно интерферируют после второго поляризатора P2, а ПЗС-камера (CCD) фиксирует результаты.

Определив значения δ+ и δ–, соответствующие разным углам падения света, физики вычислили показатель преломления графена, который оказался близок к 3,0 + 1,149i. В последующих опытах эта величина использовалась для оценки количества графеновых слоёв в плёнках: если изначально, к примеру, было известно, что образец содержит от одного до трёх слоёв, то измерения δ+ и δ– для углов θi в интервале 56–62˚ позволяли точно установить его толщину.

Хотя специалистам, разумеется, известно немало способов расчёта показателя преломления и толщины графеновой плёнки, новая методика выгодно отличается от многих других простотой и небольшой продолжительностью измерений. Кроме того, любая новая экспериментальная информация важна сама по себе, поскольку результаты, полученные разными методами, пока плохо согласуются друг с другом: скажем, в одной недавней работе показатель преломления графена оценивается в 2,0 – 1,1i, а в другой можно найти значение 3,0 – 1,4i.