اتفاق‌ای به نام «تاثییر فارادی»(FE)، اولین بار در سال ۱۸۴۵ توسط «مایکل فارادی» توصیف شد و برخی از اولین شواهد برهمکنش بین مغناطیس و امواج نوری را اراعه داد.

این اتفاق توضیح می‌دهد که چطور یک پرتو نور که از یک ماده شفاف عبور می‌کند، هنگامی که آن ماده در معرض یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد، تحت تأثیر قرار می‌گیرد. این کار به طور خاص، جهت قطبش آن پرتو نور را تحول می‌دهد.

به عبارت ساده‌تر، نور می‌تواند غیرقطبی یا قطبی باشد. هنگامی نور غیرقطبی است، نوسانات الکترومغناطیسی آن در جهات گوناگون (عمود بر صفحه حرکت آن) رخ می‌دهد. با این حال، هنگامی نور قطبیده می‌شود، این نوسانات در یک جهت واحد مرتب خواهد شد. برای مثال فکر کنید که یک ژاکت چین‌دار و پرزدار را از کمد بیرون می‌کشید و الیاف آن را صاف می‌کنید.

زمان‌ها فکر می‌شد که تأثیر «تاثییر فارادی» بر قطبش نور فقطً مربوط به مؤلفه الکتریکی موج الکترومغناطیسی است که با مغناطیس ماده و میدان مغناطیسی اضافی در تعامل است.

سال قبل، تیم تحقیقاتی دانشگاه عبری اورشلیم به طور تجربی تأثیر ظریف اما راحتی از سمت مغناطیسی را در نقطه روبه رو «تاثییر فارادی» نشان داد، جایی که قطبش نور یک گشتاور مغناطیسی در یک ماده تشکیل می‌کند.

محققان در مطالعه تازه خود، یافته‌های آزمایش خود را با محاسبات پیچیده‌ای بر پایه معادله «لاندائو-لیفشیتز-گیلبرت»(Landau–Lifshitz–Gilbert) که دینامیک مغناطیس را در مواد جامد توصیف می‌کند، ترکیب کردند تا اشکار کنند که آیا همین تعامل ظریف امکان پذیر در خود «تاثییر فارادی» نیز مؤثر باشد یا خیر.

آنها از مدل‌های فیزیکی «تربیوم-گالیوم-گارنت»(Terbium-Gallium-Garnet) که بلوری است که قابلیت مغناطیسی شدن دارد و طبق معمولً در فیبر نوری و فناوری‌های مخابراتی منفعت گیری می‌شود، برای محاسبات خود منفعت گیری کردند.

محاسبات مشخص می کند که میدان مغناطیسی نور نزدیک به ۱۷ درصد از میدان مغناطیسی را در طول موج‌های مرئی و ۷۰ درصد را در طول موج‌های فروسرخ راه اندازی می‌دهد که برخلاف فکر قبلی، به هیچ وجه ناچیز نیست.

در نتیجه، میدان مغناطیسی مستقیماً تحت تأثیر میدان مغناطیسی نوسانی نور قرار می‌گیرد و برخلاف آنچه تا بحال فکر می‌شد، فقط میدان الکتریکی آن را تحت تاثییر قرار نمی‌دهد.

امیر کاپوا(Amir Capua)، فیزیکدان توضیح می‌دهد: نور فقط ماده را روشن نمی‌کند، بلکه به طور مغناطیسی بر آن تأثیر می‌گذارد. میدان مغناطیسی ایستا، نور را می‌پیچاند و نور نیز به نوبه خود، خواص مغناطیسی ماده را آشکار می‌کند.

او گفت: آنچه ما دریافته‌ایم این است که قسمت مغناطیسی نور دارای تاثییر مرتبه اول است و به نحوه شگفت‌آوری در این فرآیند فعال است.

به این علت، این تحقیق راه فرد دیگر برای تعامل میدان مغناطیسی نور با ماده اشکار کرده است؛ نه با تعامل با بار الکترون، بلکه با تعامل با یکی دیگر از جنبه‌های اساسی آن، یعنی اسپین آن، چون هر الکترون در هر قطعه از ماده هم بار و هم اسپین دارد.

کاپوا گفت: در قلب این تاثییر، یک اصل اساسی وجود دارد که ما شناسایی کرده‌ایم. می‌توانید به طور کلی، اسپین الکترون را به گفتن یک بار کوچک فکر کنید که تقریباً همانند یک فرفره مینیاتوری، حول محور خود می‌چرخد. برای تعامل با «الکترون چرخان» و منحرف کردن جهت محور اسپین آن، میدان مغناطیسی که با آن تعامل دارد نیز باید بچرخد، یعنی باید قطبیت دایره‌ای داشته باشد.

کاپوا می‌افزاید که این یک عکس متعادل تشکیل می‌کند مبنی بر این که میدان الکتریکی یک نیروی خطی بر بار اعمال می‌کند، در حالی که یک میدان مغناطیسی قطبیت دایره‌ای چرخان گشتاوری بر اسپین الکترون اعمال می‌کند.

کشف این برهمکنش نادیده گرفته شده در «تاثییر فارادی» تثبیت‌شده می‌تواند راهی برای کنترل دقیق‌تر نور و ماده در اختیار دانشمندان قرار دهد که به طور بالقوه تبدیل پیشرفت‌هایی در حسگری، حافظه و محاسبات، همانند نوآوری‌های رایانه کوانتومی از طریق کنترل دقیق‌تر بیت‌های کوانتومی مبتنی بر اسپین می‌شود.

علاوه بر این، حوزه اسپینترونیک به جای بار، از اسپین الکترون برای ذخیره و دستکاری اطلاعات منفعت گیری می‌کند.

بنجامین آسولین(Benjamin Assouline) مهندس برق می‌گوید: آنچه این کشف مشخص می کند این است که می‌توانید اطلاعات مغناطیسی را مستقیماً با نور کنترل کنید.

در نهایت، این کار وسوسه‌انگیز است، چون یکی از سنگ بناهای علم را به ما یادآوری می‌کند. یعنی این که محققان امکان پذیر در هر وقتی، حتی در مدل‌های تثبیت‌شده، خواص ناشناخته فرد دیگر از نور یا دیگر اتفاق‌های الکترومغناطیسی را کشف کنند.

این پژوهش در مجله Scientific Reports انتشار شده است.