Το φως κρύβει μαγνητικό μυστικό: Μια ανατροπή 200 χρόνων στην κατανόηση της φυσικής

Για σχεδόν δύο αιώνες, η επιστημονική κοινότητα αντιμετώπιζε το φως ως κάτι που αλληλεπιδρά με την ύλη κυρίως μέσω του ηλεκτρικού του πεδίου. Η μαγνητική του συνιστώσα θεωρούνταν αμελητέα, σχεδόν παθητική. Ωστόσο, νέα έρευνα από το Hebrew University of Jerusalem έρχεται να ανατρέψει μια κατεστημένη εξήγηση που ξεκινά από τον 19ο αιώνα, αποκαλύπτοντας ότι το φως δεν φωτίζει απλώς τα υλικά, αλλά τα επηρεάζει μαγνητικά με τρόπο που κανείς δεν είχε φανταστεί έως τώρα.

Η μελέτη, δημοσιευμένη στο Scientific Reports του Nature, καταλήγει ότι το μαγνητικό πεδίο του φωτός συμμετέχει άμεσα στο φαινόμενο Faraday, κατά το οποίο η πόλωση του φωτός περιστρέφεται όταν διέρχεται μέσα από ένα υλικό που βρίσκεται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο. Μέχρι σήμερα, η ερμηνεία του φαινομένου βασιζόταν αποκλειστικά στη συμβολή του ηλεκτρικού πεδίου του φωτός. Η νέα έρευνα δείχνει ότι η μαγνητική συνιστώσα δεν είναι μόνο ενεργή, αλλά και καθοριστική.

Το έργο είναι αποτέλεσμα της δουλειάς του Dr. Amir Capua και του Benjamin Assouline από το Institute of Electrical Engineering and Applied Physics, οι οποίοι παρουσιάζουν την πρώτη θεωρητική απόδειξη ότι το ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο του φωτός συμβάλλει άμεσα στο φαινόμενο Faraday. Σύμφωνα με τους δύο ερευνητές, η αλληλεπίδραση ανάμεσα στο φως και τον μαγνητισμό είναι πιο περίπλοκη από ό,τι θεωρούνταν μέχρι σήμερα: το σταθερό μαγνητικό πεδίο «στρίβει» την πόλωση του φωτός, αλλά το ίδιο το φως απαντά, επηρεάζοντας μαγνητικά το υλικό από το οποίο διέρχεται. Με άλλα λόγια, υπάρχει ένα είδος αμφίδρομης σχέσης και όχι μονόπλευρης επίδρασης.

Για δεκαετίες, οι φυσικοί υποστήριζαν ότι το Faraday Effect προκύπτει από την αλληλεπίδραση του ηλεκτρικού πεδίου του φωτός με τα ηλεκτρικά φορτία μέσα στην ύλη. Η μαγνητική συνιστώσα θεωρούνταν θεωρητικά υπαρκτή, αλλά πρακτικά αμελητέα. Η νέα μελέτη αποκαλύπτει ότι το μαγνητικό πεδίο του φωτός αλληλεπιδρά με τα σπιν των ατόμων, επηρεάζοντας άμεσα την περιστροφή της πόλωσης. Πρόκειται για έναν παράγοντα που η θεωρία είχε αφήσει στο περιθώριο επί 180 χρόνια.

Για να αποδείξουν τη συμβολή του μαγνητικού πεδίου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν προχωρημένους υπολογισμούς που βασίζονται στην εξίσωση Landau-Lifshitz-Gilbert, η οποία περιγράφει τη δυναμική των σπιν σε μαγνητικά υλικά. Με αυτό το θεωρητικό πλαίσιο έδειξαν ότι το φως μπορεί να προκαλέσει μαγνητική ροπή μέσα σε ένα υλικό, με τρόπο παρόμοιο με ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Όπως εξηγεί ο Dr. Capua, το φως δεν είναι απλώς ορατό φαινόμενο, αλλά μαγνητικά ενεργό.

Για να μετρήσουν την πραγματική επίδραση αυτής της συνιστώσας, οι ερευνητές εφάρμοσαν το μοντέλο τους στο Terbium Gallium Garnet (TGG), ένα υλικό που χρησιμοποιείται ευρέως στην μελέτη του φαινομένου Faraday. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά: το μαγνητικό πεδίο του φωτός ευθύνεται για περίπου 17% της περιστροφής πόλωσης στο ορατό φάσμα και φτάνει μέχρι και το 70% στο υπέρυθρο. Αυτές οι αναλογίες δείχνουν ότι η επίδραση του μαγνητικού πεδίου όχι μόνο είναι υπαρκτή, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις είναι ο κυρίαρχος παράγοντας.

Σύμφωνα με τον Benjamin Assouline, η έρευνα αποδεικνύει ότι το φως «επικοινωνεί» με την ύλη όχι μόνο μέσω του ηλεκτρικού του πεδίου αλλά και μέσω του μαγνητικού, το οποίο έως σήμερα είχε υποτιμηθεί. Αυτός ο νέος τρόπος κατανόησης της φύσης του φωτός μπορεί να αποτελέσει το θεμέλιο για νέα πεδία εφαρμογών στην τεχνολογία. Πιθανές προεκτάσεις περιλαμβάνουν αποθήκευση δεδομένων με οπτικές μεθόδους, τεχνολογίες spintronics, μαγνητικό έλεγχο με χρήση φωτός και ακόμη και τη μελλοντική υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών που βασίζονται στα σπιν.

Το εύρημα έχει ιδιαίτερη βαρύτητα για την οπτική τεχνολογία, καθώς η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο το φως μπορεί να επηρεάζει μαγνητικά τα υλικά ανοίγει τον δρόμο για νέο σχεδιασμό συσκευών που αξιοποιούν την πόλωση, τον έλεγχο της μαγνητικής κατάστασης και την χωροχρονική συμπεριφορά φωτός-ύλης. Η δυνατότητα ελέγχου των μαγνητικών ιδιοτήτων μέσω ακτινοβολίας θα μπορούσε να οδηγήσει σε ταχύτερες και πιο αποδοτικές συσκευές επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων.

Με άλλα λόγια, μια ανακάλυψη που ξεκίνησε από μια βασική θεωρητική απορία για τη συμπεριφορά του φωτός καταλήγει να θέτει τις βάσεις για την επόμενη γενιά τεχνολογίας — εκεί όπου η οπτική και ο μαγνητισμός δεν θεωρούνται πια ξεχωριστά πεδία, αλλά δύο όψεις του ίδιου φαινομένου. Οι συνέπειες αυτής της ανατροπής ενδέχεται να διαμορφώσουν τη φυσική και την τεχνολογία των επόμενων δεκαετιών.