کشف بزرگ در فیزیک: میدان مغناطیسی نور، اصل ۱۸۰ ساله اثر فارادی را نقض کرد

پژوهشگران در یک دستاورد علمی خیره‌کننده، یکی از مفروضات بنیادین ۱۸۰ ساله فیزیک نور را به چالش کشیدند. تیم تحقیقاتی دانشگاه عبری اورشلیم برای اولین بار نشان داد که میدان مغناطیسی نور، برخلاف تصورات گذشته که نقشی قابل‌اغماض برای آن قائل بودند، نقشی کلیدی و قابل اندازه‌گیری در نحوه‌ی برهم‌کنش نور با ماده ایفا می‌کند.

بازنگری در اصل ۱۸۰ ساله اثر فارادی

این کشف، فهم سنتی از «اثر فارادی» را که مایکل فارادی در سال ۱۸۴۵ کشف کرد و نزدیک به دو قرن است مبنای درک تعامل نور و میدان مغناطیسی بوده، مورد تردید قرار می‌دهد. تا پیش از این، دانشمندان معتقد بودند که چرخش قطبش نور در حضور میدان مغناطیسی، تنها ناشی از تعامل میدان الکتریکی نور با بارهای الکتریکی ماده است.

اما نتایج منتشرشده در نشریه «Scientific Reports» نشان می‌دهد که میدان مغناطیسی نور نیز به‌صورت مستقیم بر اسپین‌های ماده اثر می‌گذارد و سهم آن در این پدیده قابل‌صرف‌نظر نیست:

• این میدان مغناطیسی حدود ۱۷ درصد از چرخش قطبش نور مرئی را توضیح می‌دهد.
• این سهم در طیف فروسرخ به میزان چشمگیر ۷۰ درصد می‌رسد.

مدل‌سازی پیشرفته و اثبات نظری

این پژوهش توسط امیر کپور و بنجامین اسولین در مؤسسه مهندسی برق و فیزیک کاربردی سرپرستی شد. تیم تحقیق با استفاده از محاسبات پیشرفته، مدل جدیدی ارائه کرد که نشان می‌دهد میدان مغناطیسی نوسانی نور می‌تواند مانند یک میدان مغناطیسی ساکن عمل کرده و مستقیماً با اسپین‌های بلور برهم‌کنش داشته باشد.

برای آزمودن این مدل، پژوهشگران آن را روی کریستال TGG (تربیوم گالیم گارنت) که ماده‌ای پرکاربرد در اندازه‌گیری اثر فارادی است، اعمال کردند. نتایج محاسبات، نقش پررنگ میدان مغناطیسی نور را تأیید کرد و مشخص شد که این مؤلفه در طول‌موج‌های بلندتر، مانند طیف فروسرخ، نقش غالب را برعهده دارد.

امیر کپور در توضیح این پدیده می‌گوید: «در ساده‌ترین بیان، این پدیده نوعی گفت‌وگو میان نور و مغناطیس است. میدان مغناطیسی ساکن، نور را می‌چرخاند و نور نیز ویژگی‌های مغناطیسی ماده را آشکار می‌کند. اکنون فهمیده‌ایم که بخش مغناطیسی نور، برخلاف تصور گذشته کاملاً فعال و تأثیرگذار است.»

آینده فناوری: از ذخیره‌سازی نوری تا رایانش کوانتومی

این تغییر بنیادین در درک رابطه نور و مغناطیس، مسیرهای تازه‌ای را در حوزه‌های اپتیک و مغناطیس می‌گشاید. پژوهشگران معتقدند که این کشف می‌تواند به توسعه نسل جدیدی از فناوری‌ها کمک کند که نیازمند کنترل دقیق حالت‌های مغناطیسی هستند. کاربردهای احتمالی این دستاورد شامل موارد زیر است:

• اسپینترونیک: استفاده از اسپین الکترون‌ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات.
• ذخیره‌سازی نوری اطلاعات: بهبود روش‌های ذخیره‌سازی داده با استفاده از نور.
• کنترل مغناطیسی مبتنی بر نور: ابزارهای جدید برای مدیریت خواص مغناطیسی مواد.
• رایانش کوانتومی اسپینی: پیشرفت در توسعه مدارهای محاسباتی کوانتومی.

بنجامین اسولین تأکید می‌کند که نور از طریق میدان مغناطیسی‌اش با ماده صحبت می‌کند؛ کانالی از تعامل که تا امروز تقریباً نادیده گرفته شده بود. به گفته کپور، «نور فقط ماده را روشن نمی‌کند، بلکه به‌صورت مغناطیسی بر آن اثر می‌گذارد.»