Megdőlt egy 180 éves fizikai szabály: a fény másként viselkedik, mint eddig tudtuk

Izraeli tudósok felfedezték, hogy a fény mágneses mezeje közvetlenül működteti a Faraday-hatást. Mióta Michael Faraday 180 éve felfedezte a jelenséget, a tudósok úgy tudták, hogy a fény elektromos hatása idézi elő. Most azonban kiderült, hogy a fény mágneses hatást gyakorol az anyagra. A felfedezés új utakat nyithat meg a spintronikában, optikai adattárolásban, és még a kvantum számítástechnikában is.

1845-ben Michael Faraday kimutatta, hogy a fény és a mágnesség összefüggésben van egymással. Fénysugarat engedett át egy mágneses mezőben lévő üvegen és azt találta, hogy polarizációja (annak iránya, ahogyan hullámai ide-oda mozognak, kígyóznak) forog. Ez az úgynevezett Faraday-hatás. A tudósok 180 éven át úgy vélték a fény elektromos hatása idézi elő a jelenséget. A Jeruzsálemi Héber Egyetem fizikusai szerint azonban ez nem egészen így van. A Scientific Reports tudományos magazinban megjelent tanulmányuk szerint a fény mágneses összetevője közvetlenül hozzájárul a Faraday-hatáshoz. A fény nem csak megvilágítja az anyagot, hanem mágneses hatást gyakorol rá. A fizikusok elméleti modellezéssel kimutatták, hogy a fény oszcilláló mágneses mezeje megcsavarja az anyagban lévő elektronok spinjét, ami mérhető változást idéz elő oly módon, hogy a fény maga is forog, amikor keresztülhalad az anyagon - írja az origo.hu.

A fény mágneses részével idáig nem foglalkoztak

A fény elektromágneses hullám, oszcilláló elektromos és mágneses mezők keveréke. A fizikusok hosszú időn át a fény elektromos felére fókuszáltak; ez rezegteti a töltött részecskéket és ez a legtöbb optikai hatás mozgatója. Úgy tűnt, hogy a fény mágneses felének nincs szerepe a Faraday-hatásban, most azonban kiderült, hogy a fény mágneses része is reagál az anyagokkal. A kutatók figyelmen kívül hagyták a mágneses részt, mivel legtöbb anyagban a mágneses erők gyengébbek, mint az elektromos erők, és mivel a spinek gyakran kiesnek a fény oszcillálásával való szinkronizálásból. Amikor azonban a fényt körkörösen polarizálódik, vagyis a fényhullámok úgy csavarodnak, mint a dugóhúzó, a mágneses komponens jobban igazodik a spinekhez.

A kutatók Landau–Lifshitz–Gilbert egyenlet (ez írja le hogyan viselkednek a spinek mágneses mezőben) felhasználásával kimutatták, hogy az optikai mágneses mező létrehozza a saját mágneses forgatónyomatékát, egy az anyagban lévő csavaró erőt. Mikor lefuttatták a modelljüket, azt találták, hogy a látható hullámhosszoknál a fény mágneses mezeje felelős a Faraday-hatás 17%- az infravörös tartományban pedig a Faraday-hatás 70%-áért. Tehát nem csak a fény elektromos mezeje, hanem a mágneses mezeje is kölcsönhatásba kerül az anyaggal.

Mágneses optika

A kutatás során a Verdet-állandóról is felfedeztek új dolgot. Ez az állandó az a szám, ami leírja, hogy milyen erősen forgatja az anyag a fény polarizációját mágneses mezőben. Hagyományosan, a Verdet állandó azzal áll összefüggésben, hogy a fény elektromos komponense hogyan lép kölcsönhatásba a mozgó töltésekkel.

A csapat azonban kimutatta, hogy az  Landau–Lifshitz–Gilbert egyenlet azt jelzi előre, hogy az állandónak van egy olyan része, ami kizárólag a mágneses komponenst használja.

Elemzésük kimutatta azt is, hogy a Faraday-hatás és az inverz Faraday-hatás (a Faraday-hatás időben megfordított ikerpárja) nem tökéletes tükörképei egymásnak. Az inverz változatban az intenzív fényimpulzusok külső mágneses mező nélkül magnetizálják az anyagokat, kizárólag a fény változtatja meg a spint. A csapat szerint ultragyors időskálán a két hatás nem pontosan inverz, mivel a különböző féle spindinamikától függnek. Ez a felfedezés segíthet magyarázatot adni az ultragyors mágnesség rejtélyeire. Az ultragyors mágnességet a femtoszekumdumos lézerimpulzusok spinjeinek kontrollálására alkalmazzák az új generációs számítástechnika és adattárolás területén. Még amikor a fény hihetetlenül rövid impulzusokkal lép kölcsönhatásba az anyaggal, mágneses komponense akkor is meglepően erős szerepet játszik.

Az, hogy kiderült, hogy a fény mágneses hatást gyakorol az anyagra, új utakat nyithat meg a spintronikában, optikai adattárolásban, és még a kvantum számítástechnikában is, ahol kulcsfontosságú a spin állapotok kontrollálása.

Ez egyelőre még csak elméleti áttörés, ami önmagában véve nem bizonyíték. Laboratóriumban eddig még senki nem figyelte meg közvetlenül a jelenséget. A kutatók most olyan kísérletet terveznek, amivel el tudják különíteni fény mágneses forgatónyomatékát a domináns elektromos forgatónyomatéktól. Ha beigazolódik az elmélet helyessége, akkor frissíteni kell a tankönyveket, mert ez átírja az optikai törvényét, ami az 1840-es évek óta változatlan.