Nový pohled na interakci světla a magnetismu
Magnetická složka světla – a nejen jeho elektrická složka – přímo ovlivňuje chování materiálů. Nový objev vědců z Hebrejské univerzity v Jeruzalémě přehodnocuje vědecké poznání, které přežilo téměř 200 let. Výsledky výzkumu byly publikovány v odborném časopise Scientific Reports.
Studie, vedená Dr. Amirem Kapouahem a Benjaminem Asulinem z Ústavu elektrotechniky a aplikované fyziky na Hebrejské univerzitě, přináší první důkaz, že oscilační magnetické pole světla přispívá k Faradayovu efektu – jevu, při kterém se směr polarizace světla otáčí, když prochází materiálem, který je ovlivněn stálým vnějším magnetickým polem.
Jednoduše řečeno, jde o interakci mezi světlem a magnetismem: stálé magnetické pole „otáčí“ světlo, které na oplátku odhaluje informace o magnetických vlastnostech materiálu. Tento efekt, který byl popsán již v 19. století, byl považován za jeden z prvních důkazů toho, že světlo a magnetismus jsou dva aspekty téže fyzikální jev – základ dnešní elektromagnetické teorie Maxwella.
Od objevu Faradayova efektu v roce 1845 britským vědcem Michaelem Faradayem se předpokládalo, že tento jev vyplývá výhradně z interakce elektrického pole světla s náboji v materiálu. Nový výzkum však odhaluje, že také magnetická složka elektromagnetického záření – dosud považovaná za zanedbatelnou – má přímý a významný příspěvek k tomuto efektu.
„Prokázali jsme, že magnetická složka světla není jen významná, ale také překvapivě aktivní při interakci se spiny v magnetickém systému materiálu,“ vysvětluje Dr. Kapoua. „Tento vliv je přímý a základní (prvního řádu vůči magnetickému poli) – zatímco elektrický vliv je spíše nepřímý. Je to jako objevit, že koule padá kvůli gravitaci, nikoli z jiného nepřímého důvodu.“
Pomocí pokročilých výpočtů a fyzikální teorie založené na Landau-Lifshitz-Gilbertově rovnici – modelu popisujícímu pohyb spinů v magnetickém systému – vědci prokázali, že magnetické pole samotného světla je schopno vyvolat magnetický moment uvnitř materiálu, stejně jako obvyklé magnetické pole. Jinými slovy, světlo není jen „osvětlovačem“ materiálu – má na něj magnetický vliv.
Aby vědci otestovali, jak je tento efekt významný, použili model na běžně používaný krystalický materiál v optice – terbiový gallium granát (TGG) – který slouží jako standard pro měření Faradayova efektu. Zjistili, že příspěvek magnetického pole světla představuje přibližně 17 % měřeného efektu při vlnových délkách viditelného světla a může dosáhnout až 70 % při delších vlnových délkách v infračervené oblasti. „Naše výsledky naznačují, že světlo „komunikuje“ s materiálem nejen prostřednictvím svého elektrického pole, ale také prostřednictvím své magnetické složky, která dosud téměř nebyla zkoumána,“ říká Asulin.
Tento objev má široké důsledky pro naše porozumění základním jevům v optice a magnetismu, zejména v pokročilých oblastech, jako je spintronika – vyvíjející se vědní obor, který kombinuje fyziku spinů s elektrotechnickým inženýrstvím. Nové pochopení způsobu, jakým světlo interaguje se spiny, by mohlo v budoucnu umožnit přesnější kontrolu magnetických polí pomocí světla, vývoj nových optických komponentů, pokrok v technologiích ukládání dat na bázi světla a dokonce i pokrok k spinově založenému kvantovému výpočetnímu zařízení.
„Kromě vědeckého významu jsme na tento objev hrdí i jako Izraelci,“ říká Dr. Kapoua. „Je to důkaz toho, že průkopnický vědecký výzkum se provádí tady, na Hebrejské univerzitě v Jeruzalémě. Tento objev se přidává k mezinárodnímu vědeckému dialogu o jednom z hlavních témat fyziky – vazbách mezi světlem, elektřinou a magnetismem.“
