Al bijna twee eeuwen wordt het verband tussen licht, magnetisme en materialen begrepen via het Faraday-effect – een fenomeen dat voor het eerst werd waargenomen door Michael Faraday in 1845. Nieuw onderzoek suggereert nu dat deze relatie genuanceerder is dan eerder werd aangenomen, waarbij de magnetische component van licht een verrassend belangrijke rol speelt in de interactie met bepaalde materialen.
Het originele Faraday-effect: een historisch overzicht
Faraday ontdekte dat wanneer licht door bepaalde stoffen gaat (zoals glas doorspekt met boorzuur en loodoxide) terwijl het wordt blootgesteld aan een magnetisch veld, de polarisatie ervan roteert. De gevestigde verklaring was dat deze rotatie plaatsvond als gevolg van de interactie tussen het magnetische veld, de elektrische ladingen in het materiaal en de elektrische component van het licht zelf.
De veronderstelling was dat de magnetische component van licht weinig tot geen effect had. Dit is al bijna twee eeuwen het geaccepteerde model.
Nieuwe bevindingen: de magnetische component stapt vooruit
Onderzoekers Amir Capua en Benjamin Assouline van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben deze lang gekoesterde veronderstelling in twijfel getrokken. Hun berekeningen tonen aan dat, onder specifieke omstandigheden, de magnetische component van licht een interactie aangaat met materialen, wat mogelijk verantwoordelijk is voor een substantieel deel van het waargenomen Faraday-effect.
De sleutel ligt in de polarisatie van licht. Wanneer licht circulair gepolariseerd is, wat betekent dat het magnetische veld spiraalvormig is als een kurkentrekker, heeft het een sterkere wisselwerking met de magnetische spins in bepaalde materialen.
Terbium Gallium-granaat (TGG): een onthullende casestudy
De onderzoekers ontdekten dat bij herhaling van het experiment van Faraday met Terbium Gallium Garnet (TGG), een magnetisch materiaal, de magnetische interactie verantwoordelijk zou kunnen zijn voor 17% van het effect bij zichtbaar licht en tot 70% bij infrarood licht. Dit suggereert dat in sommige materialen de magnetische component van de invloed van licht verre van verwaarloosbaar is.
Dit is niet eerder onderzocht omdat magnetische krachten in materialen zoals het glas van Faraday relatief zwak zijn vergeleken met elektrische krachten. Bovendien komen de spins in deze materialen niet altijd overeen met de magnetische component van licht. Maar circulair gepolariseerd licht verandert deze dynamiek.
Implicaties en toekomstige toepassingen
Igor Rozhansky, een natuurkundige aan de Universiteit van Manchester, bevestigt dat de berekeningen overtuigend zijn en verdere experimentele verificatie rechtvaardigen. De bevindingen openen nieuwe wegen voor het manipuleren van spins in materialen, wat mogelijk kan leiden tot vooruitgang in technologieën zoals op spin gebaseerde sensoren en harde schijven.
De mogelijkheid om magnetische spins te controleren met behulp van licht zou een revolutie teweeg kunnen brengen in de technologieën voor gegevensopslag en detectie.
Concluderend blijkt dat de relatie tussen licht en magnetisme, voor het eerst belicht door Faraday, nu zelfs nog ingewikkelder blijkt te zijn dan eerder werd aangenomen. De magnetische component van licht, die lange tijd als onbeduidend werd afgedaan, zou wel eens de sleutel kunnen zijn tot het manipuleren van materialen op een fundamenteel niveau, wat een nieuw tijdperk van op spin gebaseerde technologieën inluidt.
