光-物质相互作用机制具有了新转变

近期，美国物理学家们的一个研究表明：以一定角度撞击导电金属表面的光可以使金属中自由电子沿与光子相同或相反方向移动，往哪个方向移动则取决于其周围环境。Jared Strait和马里兰州国家标准与技术研究所（NIST）的一组研究人员通过进行薄金膜的简化实验观察了电子移动方向的变化，他们的观察结果与我们对微观尺度上光与金属相互作用的传统认识存在显著差距。

现阶段光与导电金属之间的相互作用一般通过经典电动力学框架的物理模型来解释。在这些所谓“光子-拖拽”效应的模型中，以一定角度撞击金属表面的光子的动量是守恒的，因为它会将能量转移到材料的自由电子中，沿着与入射光相同的方向向前推动它们。然而，最近的许多实验得出了与这一观点相矛盾的结果，研究人员观察到了与入射光方向相反的流动电流，这表明光子在向后“拉”电子。

由Strait带领的研究团队计划通过进行高度简化的实验重现这些反直觉的结果，首先他们在真空中放置了均匀的金膜，金膜中包含经典的类Drude电子，在膜一端的电极表示其电压并随后表示由“光子-拖拽”效应引起的电子流特性。在用不同角度的偏振光击中薄膜后，研究小组观察到电极拾取的电压大小与当前效应理论模型所描述的一致。然而，他们还发现电子完全沿“错误”的方向流动。

图1 致谢提供图片的Shutterstock_Nattapast-Salungyou

然后，NIST的研究人员重复了实验，但这次他们将薄膜暴露在环境空气中，他们的实验结果再现了与当前理论预测一致的电子流方向，这证实了这些理论不仅仅是基于不一致的实验结果所得。相反，由“光子-拖拽”效应产生的电子电流的方向则完全取决于金属的周围环境。

这与该效应的经典解释完全矛盾，且它还表明电子在微观尺度上表现出的复杂行为远比以前认识到的复杂。有物理学家认为，这些依赖环境的方向变化可能是由于入射光子不仅对金属中的自由电子起作用，且还对一直与金属离子结合的核心电子起作用。但是，他们承认这个想法完全是推测性质的。

他们观察的过程目前仍然是个谜，Strait带领的团队现在则希望能够在不同的金属上、利用不同偏振方向的入射光重建他们的结果。他们希望这些努力最终将使他们能够在“光子-拖拽”效应中构建光子动量转移的最新模型，从而使得提出微观尺度下新的光-金属相互作用理论成为可能，该研究的完整结果已在《物理评论快报》中刊出。