180-летнее предположение о свете только что оказалось ошибочным
Ученые недавно обнаружили взаимодействие между электромагнитной волной и ее собственным магнитным компонентом при прохождении через материал, обновив 180-летнее предположение, которое объясняло только взаимодействие между светом и его электрическим полем.
Это явление, эффект Фарадея (FE), было впервые описано в 1845 году Майклом Фарадеем, предоставив одно из самых ранних свидетельств взаимодействия между магнетизмом и световыми волнами.
Оно описывает, как влияет луч света, проходящий через прозрачный материал. когда этот материал подвергается воздействию магнитного поля. В частности, это меняет направление поляризации светового луча.
Для упрощенной точки зрения свет может быть неполяризованным или поляризованным. Когда свет неполяризован, его электромагнитные колебания происходят в различных направлениях (перпендикулярно плоскости его движения).
По теме: Спиральный магнетизм впервые обнаружен в синтетическом кристалле
Однако, когда свет поляризован, эти колебания упорядочены в одном направлении – представьте, что вы вытаскиваете из шкафа взъерошенный пушистый свитер и разглаживаете его волокна.
Долгое время считалось, что влияние эффекта Фарадея на поляризацию света обусловлено исключительно электрическим компонентом электромагнитной ряби, взаимодействующим с магнетизмом материала и дополнительным магнитным полем.
В прошлом году исследовательская группа из Еврейского университета в Иерусалиме экспериментально продемонстрировала тонкое, но явное влияние магнитной стороны в противоположном направлении. FE, при котором поляризация света создает магнитный момент в материале.
В своем новом исследовании исследователи объединили результаты своего эксперимента со сложными расчетами, основанными на уравнении Ландау-Лифшица-Гилберта, которое описывает динамику магнетизма в твердых материалах, чтобы определить, может ли это же самое тонкое взаимодействие также влиять на сам эффект Фарадея.
Они использовали физические модели тербия-галлия-граната, кристалла, который можно намагничивать и обычно используется в волоконной оптике и телекоммуникационных технологиях, чтобы основывать свои расчеты.
Расчеты показывают, что магнитное поле света составляет около 17 процентов от ЭЭ в видимых длинах волн и 70 процентов в инфракрасных длинах волн – далеко не незначительно, как предполагалось ранее.
В результате они показывают, что на ЭЭ непосредственно влияет колеблющееся магнитное поле света, а не только его электрическое поле, как считалось.
«Свет не просто освещает материю, оно оказывает на нее магнитное воздействие. Статическое магнитное поле «искажает» свет, а свет, в свою очередь, раскрывает магнитные свойства материала», — объясняет физик Амир Капуа.
«Мы обнаружили, что магнитная часть света оказывает эффект первого порядка, она на удивление активна в этом процессе».
Таким образом, это исследование обнаружило другой способ взаимодействия магнитного поля света с материей – не путем взаимодействия. с зарядом электрона, но взаимодействуя с другим его важным аспектом, его спином, потому что каждый электрон в каждой части материи имеет и заряд, и спин.
Капуа описал прорыв для ScienceAlert:
«В основе этого эффекта лежит основной принцип, который мы определили. В самых общих чертах можно представить вращение электрона как крошечный заряд, который вращается вокруг своей оси, почти как миниатюрный волчок. Чтобы взаимодействовать с «вращающимся электроном», изменить направление оси вращения, магнитное поле, которое взаимодействует с ним, также должно «вращаться», а именно, оно должно быть поляризованным по кругу».
Капуа добавляет, что это «создает хорошо сбалансированную картину: электрическое поле оказывает линейное воздействие на заряд, в то время как «вращающееся» магнитное поле с круговой поляризацией оказывает вращающий момент на вращение электрона».
По теме: Эта крошечная «искра» может помочь разгадать тайну Происхождение молнии
Обнаружение этого упущенного из виду взаимодействия в общепринятом FE может дать ученым способ более точно контролировать свет и материю, что потенциально приведет к достижениям в области сенсорики, памяти и вычислений, таким как инновации в квантовых компьютерах за счет более точного управления квантовыми битами на основе спина.
Кроме того, область спинтроники использует спины электронов вместо зарядов для хранения и манипулирования информацией.
«Это открытие предполагает, что вы может управлять магнитной информацией напрямую с помощью света», — говорит инженер-электрик Бенджамин Ассулин.
Наконец, эта работа заманчива, поскольку напоминает нам об одном из краеугольных камней науки, а именно о том, что исследователи могут открыть другие, пока еще неизвестные свойства света или других электромагнитных явлений в любое время, даже в хорошо известных моделях.
Это исследование опубликовано в Scientific Reports.
