8 دقیقه
پژوهشگران دریافتند که مولفهٔ مغناطیسی نور — که در بسیاری از پدیدههای اپتیکی طولانیمدت کماهمیت فرض میشد — نقش چشمگیری در تغییر جهت قطبش نور هنگام عبور از مواد مغناطیده دارد. این کشف، یک فرض تقریباً دو قرنۀ مربوط به اثر فارادی را بازنگری میکند و مسیرهای نوینی برای کنترل دستگاههای مبتنی بر اسپین، از جمله اسپینترونیک و قطعات کوانتومی، پیشروی پژوهشگران میگذارد.
پیچش مغناطیسی بر مشاهدۀ ۱۸۰ ساله
مایکل فارادی اولینبار در سال ۱۸۴۵ پدیدهٔ معروف به «اثر فارادی» را توصیف کرد: وقتی پرتو نور از مادهٔ شفاف قرار گرفته در یک میدان مغناطیسی عبور میکند، صفحهٔ قطبش آن میچرخد. قطبش نمایشدهندۀ جهت نوسانهای موج الکترومغناطیسی است؛ نور غیرقطبیده در جهات مختلف نوسان میکند، در حالی که نور قطبیده عمدتاً حول یک محور خاص نوسان دارد. در توضیحات تاریخی، فیزیکدانان این چرخش قطبش را نتیجهٔ تعامل میدان الکتریکی نور با الکترونهای ماده و میدان مغناطیسی خارجی میدانستند.
تا به امروز مولفۀ مغناطیسی نور — میدان مغناطیسی نوسانی که همراه میدان الکتریکی در هر موج الکترومغناطیسی حضور دارد — معمولاً نقش غیرفعال و کوچکی در مدلها ایفا میکرد. کار جدید تیمی از دانشگاه عبری اورشلیم این دیدگاه را به چالش میکشد و نشان میدهد که میدان مغناطیسی نور سهم قابلاندازهگیری و مرتبهٔ اولی در چرخش فارادی دارد.
چگونه آزمایش و نظریه یک تعامل نادیده را آشکار کردند
پژوهشگران اندازهگیریهای آزمایشی دقیق را با مدلسازی نظری مبتنی بر معادلهٔ لاندائو–لیفشیتز–گیلبرت (Landau–Lifshitz–Gilbert) که رفتار مغناطش در جامدات را توصیف میکند، ترکیب کردند. محاسبات آنها بر اساس مدلهای فیزیکی کریستال ترِبیوم-گالیوم-گارنت (Terbium-Gallium-Garnet یا TGG) کلید خورد؛ مادهای مغناطو-نوری که بهخاطر پاسخ مغناطو-نوری قوی در ایزولاتورهای فیبر نوری و کاربردهای مخابراتی شناخته شده است.
بهجای نسبتدادن تمام چرخش صرفاً به میدان الکتریکی، تیم پژوهشی بررسی کرد که چگونه مولفۀ مغناطیسی نور با قطبش دایرهای (circularly polarized magnetic component) میتواند با اسپین الکترون — تکانهٔ زاویهای ذاتی الکترونها — برهمکنش کند و گشتاوری (torque) تولید کند که پاسخ مغناطیسی ماده را تغییر میدهد. مدلها و مشاهدات تجربی آنها نشان میدهد که سهم مولفۀ مغناطیسی نور حدوداً ۱۷٪ از اثر فارادی در طولموجهای مرئی و تقریباً ۷۰٪ در مادونِقرمز است؛ سهمی بسیار بزرگتر از برآوردهای پیشین.
تصویرسازی که اثر فارادی را نشان میدهد
فیزیکدان امیر کاپوآ، یکی از اعضای تیم، نتیجه را نوعی بازتوزیع نقشها توصیف کرد: میدان الکتریکی بهصورت خطی بر بار الکترونی اثر میگذارد، در حالی که میدان مغناطیسی چرخان یا با قطبش دایرهای میتواند گشتاور مستقیمی بر اسپین الکترون اعمال کند. به بیان سادهتر، نور تنها مغناطیس را «پیمایش» (probe) نمیکند؛ بلکه بهطور فعال آن را جابهجا و تحریک میکند.
چرا اسپین الکترون اهمیت دارد: ارتباط با اسپینترونیک و فناوری کوانتومی
تمایز میان بار و اسپین در هستهٔ چندین فناوری نوظهور قرار دارد. الکترونیک کلاسیک عمدتاً با بار الکترونی سروکار دارد، اما اسپینترونیک (spintronics) از اسپین الکترونها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده میکند؛ رویکردی که پتانسیل برتریهایی مانند سرعت بالاتر، مصرف انرژی کمتر و حافظۀ غیرپرانده (nonvolatility) را دارد. اگر مولفۀ مغناطیسی نور بتواند بطور مستقیم بر اسپین اثر بگذارد، روشهای کنترل نوری اسپین میتوانند قدرتمندتر و دقیقتر شوند و راه را برای رابطهای فوتونیک-اسپینترونیک جدید باز کنند.
پیامدهای عملی این کشف گستردهاند: حسگرهای مغناطو-نوری با رزولوشن بالاتر که حساسیت به تغییرات کوچک مغناطشی را افزایش میدهند؛ عناصر حافظۀ نوری بهبودیافته که دادهها را با کمک تعاملات اسپین-نور نگهداری و بازیابی میکنند؛ و روشهای نوآورانه برای دستکاری کیوبیتهای مبتنی بر اسپین در محاسبات کوانتومی. بنجامین آسولین، مهندس برق، اشاره میکند که این یافته به آیندهای اشاره دارد که در آن اطلاعات مغناطیسی بهصورت اپتیکی کنترل میشود و فضای طراحی جدیدی برای دستگاههایی که فوتونیک و اسپینترونیک را ترکیب میکنند، باز میگرداند.
فراتر از کاربردهای فوری، این نتیجه یادآور میشود که حتی پدیدههای فیزیکی شناختهشده ممکن است پیچیدگیها و جزئیات مخفی داشته باشند. اکنون پژوهشگران میتوانند پدیدههای مغناطو-نوری را در مواد دیگر و در بازههای طولموجی متفاوت دوباره بررسی کنند تا ببینند میدان مغناطیسی نور در چه موارد دیگری نقش تعیینکنندهای ایفا میکند — از مادونقرمز تا فرابنفش.
جزئیات آزمایش و چارچوب نظری
رویکرد تیم ترکیبی از اندازهگیریهای دقیق آزمایشگاهی (که پیشتر گزارش شدهاند) و مدلسازی کامل بود. چارچوب لاندائو–لیفشیتز–گیلبرت (Landau–Lifshitz–Gilbert) نحوهٔ پاسخ لحظات مغناطیسی به میدانها و میرایی (damping) را توصیف میکند؛ وارد کردن مولفۀ مغناطیسی نوسانی موج الکترومغناطیسی در آن معادله، اثرِ شبهگشتاوری بر دینامیک اسپین را آشکار ساخت. از آنجا که ضریبهای مغناطو-نوری TGG قویاند، این ماده بهعنوان سکوی آزمایشی مناسبی برای تقویت سهمهای ظریف عمل کرد که در مواد ضعیفتر دشوارتر قابل آشکارسازی بودند.
در مدلهای آنها، سهم مغناطیسی با افزایش طولموج رشد میکند؛ بنابراین اثر در مادونقرمز بسیار برجستهتر میشود — حوزهای که برای مخابرات و بسیاری از فناوریهای حسگری اهمیت ویژهای دارد. این وابستگی طولموجی باعث میشود که در کاربردهای واقعی، نظیر مخابرات فیبر نوری یا حسگرهای مادونقرمز، روشهای کنترلی مبتنی بر مولفهٔ مغناطیسی نور عملی و مؤثر باشند.
علاوه بر TGG، بررسی مواد مغناطو-نوری دیگر مانند دیاموندهای مغناطیسی، فرومغناطیسهای خطی و نیمرساناهای مغناطیسی میتواند نشان دهد که آیا این ارتباط مستقیم میدان مغناطیسی نور با اسپین در پهنۀ وسیعتری از مواد نیز برقرار است یا خیر. آزمایشهای تکراری در هندسههای مختلف دستگاهی و با طولموجهای متنوع (مرئی، نزدیک به مادونقرمز، و دورتر) برای اعتبارسنجی عددیّتهای اعلامشده لازم خواهد بود.
دیدگاه کارشناسان
«این کار روش ما در نگاه به برهمکنش نور-ماده را در سطحی بنیادی بازتعریف میکند،» دکتر لارا مندز، فیزیکدان مادهٔ چگال که در این مطالعه دخیل نبوده است، میگوید. «اگر مولفهٔ مغناطیسی نور بتواند مستقیماً بر اسپین گشتاور وارد کند، این ابزار جدیدی به مهندسان میدهد برای کنترل فوقالعاده سریع و کممصرف اسپین که با اتصالات نوری (optical interconnects) سازگار باشد.»
مطالعهای که در Scientific Reports منتشر شد، پژوهشگران تجربی را دعوت میکند تا درصدهای پیشبینیشده را در بلورها و هندسههای دستگاهی مختلف تأیید کنند و نظریهپردازان را به گنجاندن سازوکارهایcoupling میدان مغناطیسی نور در مدلهای مغناطو-نوری بطور معمولتر فرا میخواند. این فراخوان بهویژه اهمیت دارد چون بسیاری از مدلهای مرسوم در اپتیک مغناطیسی، مولفهٔ مغناطیسی را بهعنوان مرتبهٔ دوم یا ناچیز حذف میکنند؛ اما نتایج جدید نشان میدهد که این تقریب در بسیاری از شرایط قابلاعتماد نیست.
یافتن کانال تعاملی که پیشتر کمتر برآورد شده بود، همچنین گواهی است بر طبیعت تکراری و پیشروندهٔ دانش: حتی اثرات شناختهشده با ابزارها و توجه نو میتوانند فیزیک تازهای را آشکار کنند. برای نمونه، بازاندیشی در دادههای قدیمی با چشمانداز جدید یا انجام اندازهگیریهای حساستر میتواند نشانههایی از سهم مغناطیسی نور در مواد گوناگون نشان دهد.
برای پیشروی در این حوزه، نیاز به همکاریهای بینرشتهای وجود دارد: نظریهپردازان برای توسعهٔ مدلهایی که مولفۀ مغناطیسی را بطور کامل میگنجانند؛ آزمایشگران برای طراحی تنظیمات اپتیکی و مغناطیسی حساستر؛ و مهندسان برای ارزیابی کاربردپذیری این اثر در دستگاههای عملیاتی. همچنین لازم است استانداردهای گزارش دهی تجربی و روشهای پالایش دادهها بهمنظور جداسازی سهمهای الکتریکی و مغناطیسی در نتایج توسعه یابد.
در نهایت، این خط تحقیق میتواند بر طراحی ابزارهای نوری جدید تأثیر بگذارد: از ایزولاتورهای نوری با عملکرد بهبودیافته تا عناصر حافظهٔ نوری-اسپینی و حسگرهای میدان مغناطیسی با دقت بالا. ترکیب دانش مغناطششناسی، اپتیک و فناوری کوانتومی میتواند پیوندهای تازهای بین فوتونیک، اسپینترونیک و محاسبات کوانتومی ایجاد کند که منجر به دستگاههایی با عملکرد بهتر و مصرف انرژی کمتر شوند.
منبع: sciencealert
ارسال نظر