Фарадей открыл связь света и магнетизма 180 лет назад — но она оказалась глубже, чем считалось.
Еще в 1845 году Майкл Фарадей впервые получил прямое доказательство связи между электромагнетизмом и светом. Теперь же выясняется, что эта связь оказалась глубже, чем он мог себе представить.
В своем эксперименте великий физик пропускал свет через стекло с борной кислотой и оксидом свинца, помещенное в магнитное поле. Он обнаружил, что свет, пройдя через такой фильтр, меняет поляризацию.
Свет, как известно, электромагнитная волна. Все эти годы «эффект Фарадея» объясняли взаимодействием магнитного поля, электрических зарядов в стекле и электрической составляющей света. Роль же его магнитной компоненты считалась минимальной.
Новый эксперимент
Физики Амир Капуа и Биньямин Ассулин из Еврейского университета в Иерусалиме сообщили в журнале Scientific Reports, что это, судя по всему, не всегда так.
«У света есть еще одна составляющая, которая, как мы теперь понимаем, взаимодействует с материей», — говорит Капуа.
Он называет две причины, по которым исследователи не рассматривали возможность участия магнитной компоненты света в эффекте Фарадея. Во-первых, магнитные силы внутри таких материалов, как стекло Фарадея, кажутся сравнительно слабыми по сравнению с электрическими силами. Во-вторых, когда стекло Фарадея намагничено (то есть квантовые спины электронов в нем взаимодействуют с любым магнитным полем), эти спины обычно не синхронизированы с магнитной составляющей световых волн, что говорит о слабом взаимодействии между ними.
Но все меняется, если у магнитной компоненты света круговая поляризация, то есть она закручена наподобие вихря или штопора. Тогда взаимодействие с магнитными спинами в стекле происходит гораздо интенсивнее. Причем для этого не нужны какие бы то ни было специальные манипуляции со светом, поскольку его магнитная компонента всегда состоит из нескольких таких вихревых волн.
Расчеты показали, что если эксперимент повторить с магнитным материалом под названием тербий-галлиевый гранат (TGG) вместо стекла, это магнитное взаимодействие может отвечать за 17% результирующего эффекта Фарадея при прохождении через материал видимого света. Если же через TGG пропустить инфракрасные лучи, на долю магнитного взаимодействия будет приходиться уже целых 70% наблюдаемого эффекта.
Что дальше
Новые расчеты выглядят убедительно и намечают пути для будущих экспериментальных проверок, считает Игорь Рожанский из института графена Манчестерского университета. По его словам, до сих пор игнорировавшаяся магнитная компонента эффекта Фарадея может предоставить исследователям новый способ управления спинами внутри материалов. Впрочем, вопрос о том, может ли этот эффект в некоторых материалах превосходить по силе традиционный эффект Фарадея, остается открытым.
Предстоящие эксперименты позволят перевести эти фундаментальные открытия в прикладную плоскость. Капуа признается, что уже сейчас представляет, как на основе этого явления — взаимодействия магнитных спинов с магнитной компонентой света — можно разрабатывать методы управления ими. В перспективе это может открыть путь к созданию принципиально новых устройств — спинтронных сенсоров и жестких дисков.