8 Minutės
Tyrėjai atskleidė, kad šviesos magnetinė sudedamoji dalis — ilgą laiką optikoje laikyta nereikšminga — iš tikrųjų daro reikšmingą įtaką poliarizacijos pasukimui, kai šviesa praeina per magnetizuotus materiālus. Šis atradimas paneigia beveik dviejų šimtmečių senumo prielaidą apie Faradėjaus efektą ir atveria naujas galimybes valdyti spinui pagrįstą elektroniką bei kvantinius prietaisus. Rezultatas turi įtakos ne tik fundamentiniams magneto-optikos modeliams, bet ir praktiniams sprendimams, susijusiems su optine kontrole, magneto-optiniais jutikliais ir telekomunikacijų izoliatoriais.
Magnetinis posūkis prie 180 metų pastebėjimo
Michaelas Faraday 1845 m. pirmą kartą aprašė Faradėjaus efektą: kai šviesos spindulys praeina per skaidrų medžiagos sluoksnį, esant magnetiniam laukui, poliarizacijos plokštuma apsisuka. Poliarizacija nusako elektromagnetinės bangos svyravimų kryptį — nepoliarizuota šviesa svyruoja daugeliu krypčių, o poliarizuota vykdo svyravimus daugiausia vienoje ašyje. Tradiciškai Faradėjaus rotacija buvo aiškinama kaip elektrinio lauko poveikis elektronams medžiagoje, kartu su išoriniu magnetiniu lauku, keičiančiu šviesos bangos fazes ir dėl to sukeliantį poliarizacijos poslinkį.
Seniai įsitvirtinusi interpretacija daugeliu atvejų ignoravo pačios šviesos magnetinį komponentą — besisvyravimą, lydintį elektrinį lauką bet kurioje elektromagnetinėje bangoje. Iki šiol šios magnetinės dalies poveikis buvo laikomas antrojo eilės, t. y. palyginti menku arba nesvarbiu. Naujas Izraelio Hebrajų universiteto tyrėjų darbo rinkinys kelia iššūkį šiai prielaidai: jie parodė, kad šviesos magnetinis laukas gali suteikti pastebimą, pirmojo eilės indėlį į Faradėjaus rotaciją, ypač tam tikruose krystaliniuose magneto-optiniuose terpėse ir esant ilgesnėms bangos ilgėms.
Tokia permąstyta pasakojimo kryptis nestebina: elektromagnetinė banga visada turi ir elektrinį, ir magnetinį lauką, ir abiejų komponentų tarpusavio sąveika su medžiagos savybėmis gali būti netikėta. Atskleidžiant magnetinio lauko vaidmenį, reikia atsižvelgti į elektronų spiną — vidinį kampinį momentą, kuris reaguoja ne tik į elektrinius komponentus, bet ir į besisukančius ar cirkuliuojančius magnetinius laukus. Tai leidžia peržiūrėti klasikinę Faradėjaus rotacijos interpretaciją ir praplėsti magneto-optikos terminologiją bei modelius (pavyzdžiui, įtraukiant papildomus magnetinio lauko sukimo termino įverčius).
Kaip eksperimentas ir teorija atskleidė anksčiau nepastebtą sąveiką
Tyrėjai sujungė labai tiksliai atliktus laboratorinius matavimus su teoriniu modeliavimo pagrindu, paremtu Landau–Lifshitz–Gilbert (LLG) lygtimi — klasikiniu lygčių rinkiniu, aprašančiu magnetizacijos dinamiką kietose medžiagose. LLG formulė apibūdina, kaip magnetiniai momentai reaguoja į išorinį lauką ir slopinamąsias jėgas; įtraukus į šią lygtį svyruojantį elektromagnetinės bangos magnetinį komponentą, atsiranda papildomas sukimo tipo efektas, tiesiogiai veikiantis elektronų spiną. Tokiu būdu teorija įgavo naują terminą, apibūdinantį magnetinio lauko sukimo momentą, kuris gali keisti vietinių magnetinių momentų orientaciją ir taip prisidėti prie bendrai matomos Faradėjaus rotacijos.
Praktinės skaičiavimo procedūros buvo pritaikytos prie fizinių Terbio-galio granato (TGG) modelių — magneto-optinio kristalo, plačiai naudojamo skaidulinėje optikoje ir telekomunikacijų izoliatoriuose dėl jo stiprios magneto-optinės reakcijos. TGG pasižymi dideliu Verdet koeficientu (kuri nusako rotacijos dydį vienetui ilgio ir vienetui magnetinio lauko), todėl net santykinai maži papildomi indėliai tampa eksperimentiškai matomi. Tyrėjų modeliai ir matavimai kartu rodo, kad šviesos magnetinė dalis sudaro apytiksliai 17 % visos Faradėjaus rotacijos matuojant matomam bangos ilgiui, o infraraudonajame spektre ši reikšmė gali augti iki maždaug 70 % — reikšmingas pokytis, kuris anksčiau nebuvo pripažintas.
Eksperimentinė dalis, kaip paaiškėja publikacijoje, apėmė poliarimetrijos metodus su aukšto jautrumo detekcija: naudojami fazės jautrūs matavimo grandiniai, užrakto (lock-in) stiprinimas, ir krypties jautrios optinės sąsajos, kurios leidžia atskirti elektrinio ir magnetinio lauko įtaką, analizės metodai. Teoriniai skaičiavimai atsižvelgė į medžiagos dispersinę elgseną, magneto-optinius koeficientus, jų dažninę priklausomybę ir į vidinį elektronų sukimąsi (spin), kartu įvertinant šiluminius bei slopinimo (dampingo) efektus, kurie dažnai sušvelnina greitus magnetinius perėjimus.
Faradėjaus efekto iliustracija
Tyrimų komandos narys, fizikas Amir Capua, rezultatus apibendrino kaip vaidmenų perskirstymą: elektrinis laukas veikia elektronų krūvį linijiškai, tuo tarpu suka arba cirkuliariai poliarizuotas magnetinis laukas gali sukelti sukimo momentą elektronų spinui. Paprastai tariant, šviesa ne tik tiria magnetizmą — ji gali jį ir aktyviai paveikti. Ši įžvalga primena, kad elektromagnetinės bangos abu komponentus reikia traktuoti vienu metu, ypač kai tiriama sąveika su vidiniais medžiagos lauko kintamaisiais, tokiais kaip spinai ir magnetiniai domenai.
Kodėl elektronų spinai svarbūs: ryšys su spintronika ir kvantiniais sprendimais
Skirtis tarp krūvio ir spino yra esminė kelioms sparčiai kylančioms technologijoms. Tradicinė elektronika valdo elektronų krūvį, tačiau spintronika pasinaudoja elektronų spinų savybėmis saugoti ir apdoroti informaciją. Spintroniniai įrenginiai gali pasiūlyti pranašumų greičio, energijos vartojimo ir duomenų išsaugojimo požiūriu (non-volatility). Jei šviesos magnetinė dalis gali tiesiogiai paveikti spiną, optiniai valdymo mechanizmai gali tapti žymiai galingesni, leidžiant atlikti greitus, mažiausios energijos perjungimus be tiesioginių elektrinių srovių.
Tai turi platų praktinį pritaikymą: aukštesnės skiriamosios gebos magneto-optiniai jutikliai galėtų aptikti mažesnius magnetinių struktūrų pasikeitimus; optinės atminties elementai išsiplėstų apie naujus rašymo ar nuskaitymo metodus; kvantinės technologijos, naudojančios spinams pagrįstus kubitus, galėtų gauti papildomą optinių impulsų valdymo priemonę. Tokia integracija tarp fotonikos ir spintronikos gali sukurti hibridinius prietaisus, kuriuose informacija perduodama optiškai, bet saugoma ar apdorojama spinų pavidalu — tai leidžia projektuoti naujos kartos sąsajas tarp optinių interkonekcijų ir magnetinių atminties elementų.
Elektronikos inžinierius Benjaminas Assouline pažymėjo, kad atradimas nurodo į ateitį, kur magnetinė informacija gali būti valdyta optiškai, taip praplėčiant dizaino galimybes prietaisams, sujungantiems fotoniką ir spintroniką. Be to, infraraudonasis režimas, kuriame magnetinė įtaka tampa ypač stipri, sutampa su daugeliu telekomunikacijų bangos ilgių, todėl tai gali turėti tiesioginių pramoninių privalumų — pavyzdžiui, kuriant universalesnius optinius izoliatorius arba itin jautrius jutiklius optinėse linijose.
Be numatomų taikymų, pats rezultatas yra priminimas, kad ilgai užtikrintomis laikomos fizikinės sąvokos gali slėpti subtilybes. Daug tyrėjų dabar skatinami peržiūrėti magneto-optines sąveikas kituose kristaluose, plėsti tyrimus į kitus bangos ilgius ir bandyti atskirti elektrinių ir magnetinių komponentų įtaką skirtingose medžiagose. Tai leidžia sistemingai pervertinti įprastus modelius ir potencialiai atrasti naujus mechanizmus, kurie iki šiol liko nepastebėti dėl matavimo ribotumų ar teorinio požiūrio trūkumų.
Eksperimento detalės ir teorinis pagrindas
Komandos metodas derino aukštos raiškos matavimus (kai kurios jų dalys jau buvo anksčiau publikuotos) su išsamiais skaitiniais modeliais. Landau–Lifshitz–Gilbert lygtis, naudojama magnetizacijos dinamikai aprašyti, įprastai turi terminus, apibrėžiančius precesiją ir slopinimą (damping) magnetiniams momentams. Integruojant į šią lygtį svyruojantį magnetinį lauko komponentą, atsiranda papildomas „sukimo“ efektas, panašus į išorinio sukimo momento pridėjimą prie magnetinio momento lygčių. Tokie priedai gali pagreitinti arba sulėtinti magnetinių domenų atsako laiką, priklausomai nuo fazės, poliarizacijos ir bangos ilgio santykio su medžiagos savybėmis.
TGG pasirinktas kaip bandymų terpė ne atsitiktinai: jos didelis Verdet koeficientas ir palyginti aiški spektrinė charakteristika leidžia aiškiai atskirti įprastines magneto-optines rotacijas nuo papildomų efektų. Modeliuose taip pat buvo atsižvelgta į elektroninę struktūrą ir vietinius magnetinius ionus (pavyzdžiui, terbio jonų įtaką), kurie lemia stiprų magneto-optinį atsaką. Dėl dispersijos — medžiagos optinių savybių priklausomybės nuo bangos ilgio — magnetinis indėlis natūraliai didėja tolyn į infraraudonąjį spektro diapazoną, kas atitinka tyrėjų skaičiavimus apie 70 % reikšmę infraraudonajame regione.
Eksperimentiniu požiūriu tai reikalauja kruopščios bangos ilgio kontrolės, poliarizacijos analizės ir stabilios magnetinės aplinkos. Naudojant plačiajuostę šviesos šaltinių sistemą bei tikslius poliarimetrijos įrankius, galima išmatuoti rotacijos kampą kaip funkciją bangos ilgio ir išgauti atskirus elektrinio bei magnetinio indėlius. Be to, kintamo lauko stiprumo matavimai padeda nustatyti, kaip abu komponentai prisideda prie bendros rotacijos priklausomai nuo išorinio magnetinio lauko orientacijos ir stiprumo.
Ekspertų įžvalgos ir platesnės pasekmės
„Šis darbas peržiūri mūsų supratimą apie šviesos ir materijos sąveiką iš labai fundamentalaus lygmens,“ teigia kondensuotų medžiagų fizikė dr. Lara Mendes, nepriklausoma nuo tyrimo. „Jeigu šviesos magnetinis komponentas gali tiesiogiai sukelti sukimo momentą spinams, tai suteikia inžinieriams naują priemonę ultragreičiam, mažai energijos reikalaujančiam spinų valdymui, kuris lengvai suderinamas su optinėmis sąsajomis.“
Studija, paskelbta žurnale Scientific Reports, kviečia eksperimentatorius patikrinti prognozuojamas dalis kituose kristaluose ir įrenginių geometrijose, ir ragina teoretikus dažniau įtraukti magnetinio lauko sąveikas į magneto-optinius modelius. Tokia kruopšti daugiaplanė patikra ypač svarbi, jei planuojama perkelti šias įžvalgas į pramoninius ar komercinius sprendimus.
Atrasti anksčiau nuvertintą šviesos ir materijos sąveikos kanalą yra pavyzdys, kaip mokslas vystosi iteratyviai: net gerai žinomi efektai gali atsiskleisti naujomis detalėmis, kai juos nagrinėja modernūs instrumentai ir naujos teorinės perspektyvos. Tolesni darbai gali išplėsti šias idėjas į naujas medžiagas (pvz., pernelyg jautrius magneto-kristalus, topologinius magnetus ar heterostruktūras) bei į naujas bangos ilgio sritis — nuo matomojo spektro iki visuotinai naudojamo infraraudonojo regiono telekomunikacijose.
Galiausiai, šis atradimas pabrėžia tarpdisciplininio bendradarbiavimo svarbą: suprasti ir pritaikyti naują magneto-optinį efektą reikia tiek tikslių eksperimentų, tiek gilaus teorinio modelavimo bei inžinerinių sprendimų, kurie leistų perkelti fundamentines įžvalgas į praktinius prietaisus. Dėl to ateityje galime tikėtis greitesnio integracijos tarp fotonikos, spintronikos ir kvantinių technologijų vystymosi.
Trumpai tariant, identifikavus reikšmingą šviesos magnetinio komponento indėlį Faradėjaus rotacijoje, atveriami nauji keliai tiek fundamentiniams tyrimams, tiek technologiniams sprendimams, kuriuose optinė kontrolė gali tiesiogiai paveikti elektronų spinus — tai svarbus žingsnis link greitesnių, mažesnės energijos sąnaudų ir labiau integruotų magneto-opinių sistemų.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą