70% эффекта Фарадея — это не электричество, а чистый магнетизм. Физики поняли свою ошибку спустя 180 лет

Почти 200 лет назад Майкл Фарадей показал, что свет и магнетизм связаны куда теснее, чем казалось ранее. Он пропускал луч через стеклянный образец, помещенный в магнитное поле, и наблюдал, как меняется направление колебаний световой волны. Этот эффект стал классической демонстрацией того, что внешнее поле может поворачивать поляризацию света. На протяжении многих десятилетий считалось, что вся работа в этом процессе принадлежит электрической составляющей световой волны, тогда как магнитную часть признавали настолько слабой, что ею можно пренебречь.

Но исследователи из Иерусалима утверждают, что в этой истории отсутствовала важная деталь. В новой работе физики показывают, что именно магнитная часть света, которую обычно считают второстепенной, способна напрямую влиять на электроны внутри вещества и вносить заметный вклад в поворот поляризации. По сути, свет не только воздействует электрически, но и создает магнитный отклик в материале.

Чтобы разобраться в этом, ученые построили теоретическую модель, которая описывает, как магнитное поле световой волны может изменять ориентацию электронных спинов. Спин — это квантовая характеристика, отвечающая за магнитные свойства частиц. Обычно спины слабо реагируют на свет, потому что их движение не успевает синхронизироваться с быстрыми колебаниями волны. Однако ситуация меняется, когда используют циркулярно поляризованный свет: его волна закручена в виде спирали, что позволяет магнитной составляющей эффективнее взаимодействовать со спиновыми системами.

Чтобы проверить расчеты, применили уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта. Оно описывает, как спины поворачиваются под действием внешних полей, и широко используется в магнитной динамике. Проведенные вычисления показали, что в кристалле тербий-галлиевого граната магнитная составляющая света способна обеспечивать около 17 процентов эффекта Фарадея в видимом диапазоне и до 70 процентов в инфракрасной области. Для классической оптики такие цифры выглядят неожиданно высокими.

Эти выводы заставляют по-новому взглянуть и на так называемую константу Верде — величину, которая показывает, насколько сильно материал поворачивает плоскость поляризации под воздействием магнитного поля. Традиционно считалось, что она определяется взаимодействием электрической части световой волны с зарядами внутри вещества. Однако израильская группа показала, что часть этого поворота можно объяснить через чисто магнитное воздействие циркулярно поляризованного света на спиновую систему.

Еще один важный вывод здесь касается связи между эффектом Фарадея и обратным эффектом Фарадея. Во втором случае мощные световые импульсы способны временно намагничивать вещество без внешнего магнитного поля. Ранее оба явления считали зеркальными, но, судя по анализу, на очень коротких промежутках, измеряемых фемтосекундами, они перестают быть идеальными противоположностями. Это связано с тем, что разные процессы в спиновых системах по-разному реагируют на изменение направления и скорости магнитных колебаний. Такой разрыв симметрии может объяснить некоторые загадки ультрабыстрой магнитной динамики, где свет используют для манипуляций спинами в перспективных технологиях хранения данных и вычислений.

Работа израильской группы пока остается теоретической. Чтобы окончательно подтвердить эффект, нужны эксперименты, способные выделить слабый магнитный отклик света на фоне гораздо более сильного электрического. Это требует высокой точности измерений и новых методик, способных разделить электрическую и магнитную составляющие оптического воздействия. Но если прогнозы подтвердятся, физикам придется пересмотреть фундаментальный взгляд, сформировавшийся еще в середине XIX века.