طوال 180 عامًا، غفلَت الفيزياء البصرية تمامًا عن أحد افتراضاتها الأساسية: تأثير فاراداي الشهير (EF) هو نتاج المجال الكهربائي للضوء. أما نظيره، المجال المغناطيسي للإشعاع الضوئي، فقد أُهمِلَ دوره.
حسنًا، لم يؤكد باحثون في الجامعة العبرية في القدس الدور الحاسم للمجال المغناطيسي للضوء فحسب (وهو تفاعل لم يُدرج في النموذج لقرون)، بل قاموا أيضًا بتحديد تأثيره بدقة. واكتشفوا أن النواة المغناطيسية للضوء تُسهم بشكل كبير، اعتمادًا على طول الموجة، مما يُدحض النظرة "الكهربائية" غير المكتملة التي سادت في مجال البصريات المغناطيسية منذ عهد مايكل فاراداي. وكان هذا الاكتشاف موضوع بحث نُشر في مجلة Nature.
ما هو تأثير فاراداي (FEA) ولماذا هو مهم؟
كان تأثير فاراداي (FE) ، الذي لوحظ لأول مرة في عام 1845، أول دليل تجريبي ملموس على الارتباط بين الضوء والمغناطيسية.
في الملخص الفني:
عندما ينتشر شعاع ضوء مستقطب عبر مادة (صلبة أو سائلة) باتجاه مجال مغناطيسي خارجي ساكن ، يدور مستوى استقطاب الضوء. تحدث هذه الظاهرة بسبب الانكسار الدائري الناتج عن المجال المغناطيسي في المادة.
إن هذا التأثير، الذي يتم قياسه بواسطة ثابت فيرديت ( 1 V) ، هو ركيزة أساسية في تطوير البصريات المغناطيسية ويُستخدم على نطاق واسع اليوم، على سبيل المثال، في العوازل البصرية .2 وحتى وقت قريب، كان يُعتقد أن الدوران يحدث حصريًا بسبب تفاعل المجال الكهربائي للضوء مع الشحنات الكهربائية للمادة.
اعتماد عزم الدوران على معاملات النبضة. (أ) رسم تخطيطي لعزم الدوران الطولي والعرضي الطبيعي و، على التوالي، المستحث بواسطة النبضة الضوئية. (ب) بعد تطبيق نبضة مغناطيسية غاوسية، RCP كدالة لـ، والتي تتغير بالمسح لكل قيمة لـ و . تتوافق الخطوط المتقطعة مع الملاءمات التربيعية. (ج) اعتماد على ، تحت . تتوافق الخطوط المتقطعة مع الملاءمات الخطية. (د) كدالة لـ ، تحت و . تتوافق الخطوط المتقطعة مع الملاءمات. تتبع اللوحتان (ج) و(د) الترميز اللوني لـ (ب).
صحوة المجال المغناطيسي البصري
طبّق الفريق البحثي بقيادة الدكتور أمير كابوا وبنجامين أسولين حسابات متقدمة تستند إلى معادلة لاندو-ليفشيتز-جيلبرت (LLG)، التي تصف ديناميكيات المغنطة. وتُظهر الدراسة ما يلي:
- المساهمة المزدوجة: يساهم المكون المغناطيسي للضوء أيضًا في تأثير فاراداي، حيث يعمل بشكل مباشر على دوران الإلكترونات في المادة.
- القياس الدقيق: عند حساب ثابت فيرديت لبلورة تيربيوم-غاليوم-جارنت (TGG) ، وهي المادة المرجعية لهذه القياسات، كانت النتائج مذهلة:
| الطول الموجي (الضوء) | مساهمة المجال المغناطيسي (محسوبة) | مساهمة المجال الكهربائي (المتبقي) |
| 800 نانومتر (مرئية/قريبة من الأشعة تحت الحمراء) | حوالي 17.5% | حوالي 82.5% |
| 1.3 ميكرومتر (الأشعة تحت الحمراء) | حتى 75% | حتى 25% |
وبالتالي فإن المساهمة المغناطيسية ليست هامشية، بل تصبح مهيمنة في الأطوال الموجية الأطول (الأشعة تحت الحمراء)، حيث تكون القيم المقاسة لثابت فيرديت أقل بشكل ملحوظ.
توضيح لتأثير فاراداي
ليس فقط التعليم عن بُعد: ثورة التعليم عن بُعد وعدم المعاملة بالمثل
يرتبط هذا الاكتشاف بظاهرة مشابهة: تأثير فاراداي العكسي (IFE) . في هذا التأثير، تُحفّز نبضات ليزر فائقة القصر ذات استقطاب دائري مغناطيسية المادة، دون الحاجة إلى مجال مغناطيسي خارجي ثابت. يُولّد الضوء المغناطيسية .
وأظهر البحث أن أوجه التشابه بين نمط عزم الضوء الناتج عن المجال المغناطيسي والسلوكيات التي لوحظت في IFE (مثل شدة الضوء والاعتماد على الاستقطاب الدائري) تشير إلى دور نشط للمجال المغناطيسي في كلتا الظاهرتين.
تفاصيل تقنية مهمة:
وفقًا للنظرية الكلاسيكية لبيرشان (1966)، يجب أن يكون FE وIFE متبادلين ، أي أنهما موصوفان بنفس الثابت. لكن الدراسة الجديدة المستندة إلى ديناميكيات LLG تُظهر أن ثوابت Verdet المشتقة للتأثيرين مختلفة اختلافًا جوهريًا .
يتوافق هذا مع كسر المعاملة بالمثل المعروف عند الوصول إلى مقاييس زمنية فائقة السرعة (فيمتوثانية)، مما يؤكد أن التأثيرين يحدثان في أنظمة ديناميكية مختلفة (حالة مستقرة لـ FE مقابل انتقال غير ثابت للحرارة لـ IFE).
التداعيات الاقتصادية الكلية والتكنولوجية
إن تعزيز فهمنا لكيفية تأثير المجال المغناطيسي للضوء على المادة يفتح آفاقًا حيوية للصناعة. فإذا استطعنا التحكم في المغناطيسية بهذه الدقة والوضوح باستخدام الضوء، فستكون الآثار المترتبة على تقنيات الجيل القادم فورية.
- Spintronics: تحسين معالجة الدوران للحصول على أجهزة أسرع وأكثر كفاءة.
- تخزين البيانات الضوئية الكاملة (AO-HDS): تصبح القدرة على التحكم في ترتيب المغناطيسية باستخدام نبضات بصرية فائقة القصر (ظاهرة AO-HDS ) أكثر كفاءة عند أخذ المكون المغناطيسي في الاعتبار.
- الحوسبة الكمومية: معالجة أفضل للحالات المغناطيسية (الكيوبتات) باستخدام الضوء.
باختصار، لا يقتصر دور الضوء على إضاءة المادة فحسب، بل يؤثر عليها مغناطيسيًا بطرق لم نكن لنتخيلها. يتطلب هذا الاكتشاف مراجعةً عميقةً للبصريات المغناطيسية، ويرسم مساراتٍ جديدةً طموحةً للسباق التكنولوجي.
الأسئلة والأجوبة
ما هو تأثير فاراداي وما هو الاعتقاد السائد حتى الآن؟
تأثير فاراداي ظاهرة مغناطيسية بصرية اكتُشفت عام ١٨٤٥، حيث يدور مستوى استقطاب الضوء عند مروره عبر مادة معرضة لمجال مغناطيسي ثابت. لطالما اعتقد المجتمع العلمي أن هذا الدوران ناتج فقط عن التفاعل بين المجال الكهربائي للضوء والشحنات الكهربائية الموجودة في المادة، متجاهلاً تأثير المكون المغناطيسي للضوء، الذي كان يُعتقد أنه مهمل.
لماذا يعد الاكتشاف الجديد مهمًا جدًا وقابلًا للقياس؟
يُظهر بحثٌ من الجامعة العبرية أن المجال المغناطيسي للضوء يُسهم مساهمةً مباشرة وملموسة في تأثير فاراداي من خلال تأثيره على دوران المادة. هذا التأثير ليس هامشيًا: فباستخدام بلورة TGG، حدّد الباحثون أن المُكوّن المغناطيسي يُمثل حوالي 17% من الضوء المرئي، ويرتفع بشكل كبير إلى 70% عند العمل مع طيف الأشعة تحت الحمراء. وهذا يجعل المُكوّن المغناطيسي عاملًا أساسيًا في الأطوال الموجية الأطول.
ما هي التأثيرات العملية المباشرة على الابتكار التكنولوجي؟
يُسرّع تنقيح هذا المبدأ الأساسي وتيرة البحث في المجالات المتطورة. ومن المتوقع، على وجه الخصوص، تحقيق تقدم كبير في مجال الإلكترونيات الدورانية ، التي ستتمكن من التحكم في دوران الإلكترونات بكفاءة أكبر باستخدام الضوء. وهذا له آثار مباشرة على تخزين البيانات الضوئية وتطوير تقنيات الحوسبة الكمومية المستقبلية القائمة على الدوران، والتي تتطلب معالجة دقيقة للغاية للحالات المغناطيسية.
مقال "للضوء نواة مغناطيسية تتفاعل مع انحناء الضوء بنسبة تصل إلى 75%. وداعًا لتأثير فاراداي "الكهربائي"؟" منشور في Scenari Economici .