Физика света и магнетизма переписана спустя почти два столетия

Эксперимент, проведенный 180 лет назад, впервые продемонстрировал связь между светом и электромагнетизмом, но эта связь глубже, чем мы думали.

В 1845 году физик Майкл Фарадей представил первое прямое доказательство взаимосвязи электромагнетизма и света. Теперь же оказывается, что эта связь даже сильнее, чем предполагал Фарадей.

В своём эксперименте Фарадей пропускал свет через стекло, пропитанное борной кислотой и оксидом свинца и помещённое в магнитное поле. Он обнаружил, что это изменило свет: когда свет выходил из стекла, его поляризация менялась.

Свет — это электромагнитная волна, и на протяжении последних 180 лет широко признавалось, что «эффект Фарадея» демонстрирует, что совместное взаимодействие магнитного поля, электрических зарядов в стекле и электрической составляющей света приводит к тому, что световая волна начинает вращаться — колебаться в другом направлении, чем до проникновения в материал.

Возможно, это покажется удивительным, но долгое время считалось, что магнитная составляющая света фактически не играет никакой роли в эффекте Фарадея. Амир Капуа и Бенджамин Ассулин из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) доказали, что это не всегда так.

«Существует и вторая часть света, которая, как мы теперь понимаем, взаимодействует с материалами», — говорит Капуа.

Капуа говорит, что есть две причины, по которым исследователи не рассматривали идею о роли магнитной составляющей света в эффекте Фарадея. Во-первых, магнитные силы в таких материалах, как стекло Фарадея, кажутся относительно слабыми по сравнению с электрическими силами. Во-вторых, когда материалы, подобные стеклу Фарадея, намагничены (то есть квантовые спины их составляющих взаимодействуют с любым магнитным полем подобно крошечным магнитам), эти спины обычно не синхронизированы с магнитной составляющей световых волн, что говорит о слабом взаимодействии между ними.

Но Капуа и Ассулин обнаружили, что когда магнитная составляющая света имеет круговую поляризацию – по сути, завихрение или штопорообразное движение – она может взаимодействовать с магнитными спинами в стекле гораздо интенсивнее. Они пришли к выводу, что это происходит даже без каких-либо специальных усилий по управлению светом, поскольку его магнитная составляющая всегда состоит из нескольких спиральных волн.

Расчёты двух исследователей показали, что если повторить эксперимент Фарадея с магнитным материалом, называемым тербий-галлиевым гранатом (TGG), вместо стекла, это магнитное взаимодействие может объяснить 17% эффекта Фарадея при прохождении через этот материал видимого света. Если же через материал TGG пропускать инфракрасный свет, магнитное взаимодействие может объяснить до 70% эффекта Фарадея.

Игорь Рожанский из Манчестерского университета (Великобритания) утверждает, что новые расчёты убедительны и указывают на возможность их экспериментальной проверки в будущем. Рожанский считает, что до сих пор неучтённая магнитная составляющая эффекта Фарадея может открыть исследователям новый способ манипулировать спинами внутри материалов. Он добавляет, что остаётся открытым вопрос, может ли этот эффект действительно быть сильнее традиционного эффекта Фарадея в некоторых материалах.

Будущие эксперименты позволят использовать новые открытия в области фундаментальной физики в прикладных целях, и Капуа говорит, что уже сейчас представляет, как открытие взаимодействия магнитных спинов в некоторых материалах с магнитной составляющей света может быть использовано для управления ими. В конечном итоге это может проложить путь к созданию новых типов спиновых датчиков и жёстких дисков.

Научные отчеты DOI: 10.1038/s41598-025-24492-9

Наука эпохи Возрождения: Италия

Познакомьтесь с великими научными умами и открытиями эпохи Возрождения, которые помогли закрепить за Италией лидирующие позиции в области научных исследований — от Брунеллески и Боттичелли до таких полиматов, как Леонардо да Винчи и Галилео Галилей.

Читать далее

Источник: www.newscientist.com