Teadlased on kindlaks teinud, et valguse käitumine aine sees on keerukam, kui peaaegu kaks sajandit arvati. Selgus, et olulist rolli mängib mitte ainult valguse elektriline, vaid ka magnetiline komponent. See avastus sunnib täpsustama senist arusaama valguse ja magnetismi vastastikusest mõjust.
Faraday efekt: valguse polarisatsiooni pööramine
Faraday efekt kirjeldati juba 1845. aastal, kui Michael Faraday näitas, et magnetväli võib muuta valguse polarisatsiooni. Pikka aega arvati, et see nihe tuleneb üksnes valguse elektriväljast. Uued tulemused näitavad, et selline tõlgendus oli liiga kitsas.
Uuringud näitavad, et valguse magnetväli ise aitab samuti kaasa polarisatsiooni pöördumisele. Teisisõnu, valgus ei reageeri üksnes magnetväljale, vaid kutsub seda ka ise aktiivselt esile. See avardab oluliselt arusaama elektromagnetlainete käitumisest erinevates materjalides.
Mis on Faraday efekt?
Faraday efekt avaldub siis, kui läbipaistev materjal laseb läbi valgust, mis liigub läbi välise magnetvälja. Sel juhul pöördub valguse polarisatsioonitasand teatud nurga võrra. Mida tugevam on magnetväli ja mida pikem on valguse teekond materjalis, seda suurem on polarisatsiooni nihe.
Valgus võib olla polariseerimata või polariseeritud. Polariseerimata valguses võnguvad elektromagnetilised väljad igasugustes suundades, mis on risti levimise suunaga. Polariseeritud valguses on võnked korrastatud ühte kindlasse suunda – justkui sirgeks silutud kangakiud.
Senini arvati, et magnetväli mõjutab valgust vaid selle elektrivälja kaudu. See mudel selgitas paljusid nähtusi piisavalt hästi ja kujuneski klassikalise käsitluse aluseks. Ometi ei arvestatud selles peaaegu üldse valguse magnetkomponendi mõjuga.
Uus vaatenurk ja arvutusmudelid
Möödunud aastal täheldas Jeruusalemma Heebrea Ülikooli teadlaste rühm eksperimendis valguse magnetkomponendi mõju pööratud nähtusele: polariseeritud valgus tekitas materjalis magnetmomendi. See pani uurijaid küsima, kas sarnane mehhanism võiks toimida ka Faraday efekti puhul.
Värskes töös ühendati katsed arvutustega, mis põhinevad Landau–Lifšitsi–Gilberti võrrandil. See kirjeldab magnetismi dünaamikat tahketes kehades ja võimaldab hinnata väga peeneid magnet- ja elektriväljade seoseid. Modelleerimiseks valiti terbium-gallium-granaat, mida kasutatakse laialdaselt optikas ja telekommunikatsioonis.
Tulemused näitasid, et nähtava valguse puhul moodustab magnetiline komponent ligikaudu 17% Faraday efektist. Infrapunaalas kasvab selle osakaal umbes 70%‑ni. See tähendab, et valguse magnetväli ei ole kõrvaline, vaid oluline ja vältimatu tegur.
Miks see avastus on oluline?
Füüsik Amir Kapua rõhutab, et valgus mõjutab materjali magnetiliselt ning materjal omakorda reedab oma magnetilised omadused just valguse polarisatsiooni nihke kaudu. Teadlaste selgitusel ei suhtle magnetväli elektroniga mitte niivõrd kui elektrilaenguga, vaid elektroni spinniga. Selleks, et spinn oma suunda muudaks, on vaja justkui pöörlevat, ringpolariseeritud magnetvälja.
Selline arusaam võimaldab täpsemalt juhtida valguse ja aine vastastikmõju. See võib aidata arendada:
- tundlikumaid magnet- ja optilisi andureid,
- uue põlvkonna mäluseadmeid,
- efektiivsemaid arvutussüsteeme, kus oluline roll on elektroni spinnil.
Eriti oluline on see spintronika valdkonnas, mis kasutab infot salvestades ja töödelda saades mitte ainult elektrilaengut, vaid ka elektroni spinni. Faraday efekti uuendatud käsitlus annab siin uue tööriista spinni juhtimiseks valguse abil.
Teadus vanade nähtuste uues valguses
See avastus tuletab meelde, et isegi hästi tuntud füüsikalistes nähtustes võivad peituda seni märkamata jäänud detailid. Teadus liigub edasi mitte ainult uusi teooriaid luues, vaid ka vana teadmise kriitilise ümberhindamise kaudu.
Faraday efekt ei ole kadunud ega vääraks osutunud – pigem on selgunud, et selle taga olev pilt on rikkalikum ja mitmemõõtmelisem, kui seni arvati. Nüüd, kui valguse magnetiline külg on saanud talle kuuluvat tähelepanu, avaneb tee täpsematele mudelitele ja uutele rakendustele optikas, magnetismis ja kvanttehnoloogiates.
