La luce ha un’anima magnetica che interagisce fino al 75% alla curvatura della luce. Addio Effetto Faraday “Elettrico”?

Per 180 anni, la fisica ottica ha dormito sonni tranquilli su una delle sue assunzioni fondamentali: il celebre Effetto Faraday (FE) era affare del campo elettrico della luce. Il suo gemello, il campo magnetico della radiazione ottica, era relegato a un ruolo di comparsa irrilevante.

Ebbene, i ricercatori dell‘Università Ebraica di Gerusalemme hanno non solo confermato il ruolo cruciale del campo magnetico della luce (un’interazione che non era stata inclusa nel modello per secoli), ma ne hanno quantificato l’impatto con precisione. Si scopre che, a seconda della lunghezza d’onda, l’anima magnetica della luce contribuisce in modo determinante, smentendo la visione “elettrica” incompleta che ha dominato la magneto-ottica da Michael Faraday in poi. La scoperta è stata oggetto di un articolo pubblicato su Nature.

Che Cos’è l’Effetto Faraday (FE) e Perché È Fondamentale?

L’Effetto Faraday (FE), osservato per la prima volta nel 1845, fu la prima prova sperimentale tangibile del legame tra luce e magnetismo.

In sintesi tecnica:

Quando un fascio di luce polarizzata si propaga attraverso un materiale (solido o liquido) lungo la direzione di un campo magnetico statico esterno, il piano di polarizzazione della luce ruota. Questo fenomeno è causato dalla birifrangenza circolare indotta dal campo magnetico nel materiale.

Questo effetto, misurato dalla costante di Verdet (¹$V$), è un pilastro fondamentale nello sviluppo della magneto-ottica e viene ampiamente utilizzato oggi, ad esempio, negli isolatori ottici.² Fino a poco tempo fa, si riteneva che la rotazione fosse causata esclusivamente dall’interazione del campo elettrico della luce con le cariche elettriche del materiale.

Dipendenza della coppia dai parametri dell’impulso. (a) Illustrazione schematica delle coppie longitudinali e trasversali normalizzate e , rispettivamente, indotte dall’impulso ottico. (b) dopo l’applicazione di un impulso magnetico gaussiano RCP in funzione di , che varia mediante scansione per ciascun valore di e . Le linee tratteggiate corrispondono ad adattamenti quadratici. (c) Dipendenza di da , sotto . Le linee tratteggiate corrispondono ad adattamenti lineari. (d) in funzione di , sotto e . Le linee tratteggiate corrispondono ad adattamenti. I pannelli (c) e (d) seguono il codice colore di (b).

Il risveglio del Campo Magnetico Ottico

Il team guidato dal Dr. Amir Capua e Benjamin Assouline ha applicato calcoli avanzati, basati sull’equazione di Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG), che descrive la dinamica della magnetizzazione. Lo studio dimostra che:

1. Doppia Contribuzione: Anche la componente magnetica della luce contribuisce all’Effetto Faraday, agendo direttamente sugli spin degli elettroni nel materiale.
2. Quantificazione Esatta: Calcolando la costante di Verdet per il cristallo Terbium-Gallium-Garnet (TGG), materiale di riferimento per queste misurazioni, i risultati sono clamorosi:

Il contributo magnetico non è quindi marginale, ma diventa dominante nelle lunghezze d’onda più lunghe (infrarosso), dove i valori misurati della costante di Verdet sono notoriamente più bassi.

Esemplificazione dell’effetto Faraday

Non Solo FE: La Rivoluzione IFE e la Non-Reciprocità

Questa scoperta si collega a un fenomeno correlato: l’Effetto Faraday Inverso (IFE). Nell’IFE, impulsi laser ultracorti e polarizzati circolarmente inducono una magnetizzazione nel materiale, senza bisogno di un campo magnetico statico esterno. La luce viene a generare il magnetismo.

La ricerca ha dimostrato che le somiglianze tra il modello di torque indotto dal campo magnetico della luce e i comportamenti osservati nell’IFE (come la dipendenza dall’intensità e dalla polarizzazione circolare) suggeriscono un ruolo attivo del campo magnetico in entrambi i fenomeni.

Un Dettaglio Tecnico Cruciale:

Secondo la teoria classica di Pershan (1966), FE e IFE dovrebbero essere reciproci—cioè descritti dalla stessa costante. Ma il nuovo studio basato sulla dinamica LLG mostra che le costanti di Verdet derivate per i due effetti sono fondamentalmente diverse.

Questo è coerente con la nota rottura della reciprocità quando si raggiungono scale temporali ultrarapide (femtosecondi), confermando che i due effetti si verificano in regimi dinamici diversi (stato stazionario per FE vs. transizione non adiabatica per IFE).

Implicazioni Macroeconomiche e Tecnologiche

Aumentare la nostra comprensione su come il campo magnetico della luce influenzi la materia apre orizzonti cruciali per l’industria. Se riusciamo a controllare il magnetismo in modo così diretto e preciso usando la luce, le ricadute sono immediate per la tecnologia di prossima generazione:

• Spintronica: Miglioramento della manipolazione degli spin per dispositivi più veloci ed efficienti.
• Archiviazione Dati Completamente Ottica (AO-HDS): Poter controllare l’ordine di magnetizzazione con impulsi ottici ultracorti (fenomeno AO-HDS) diventa più efficiente se si considera la componente magnetica.
• Quantum Computing: Migliore manipolazione degli stati magnetici (qubit) con la luce.

In sintesi, la luce non si limita a illuminare la materia, ma la influenza magneticamente in un modo che non potevamo immaginare. Una scoperta che impone una revisione profonda della magneto-ottica e traccia nuove, ambiziose, traiettorie per la corsa tecnologica.

Domande e risposte

Qual è l’Effetto Faraday e cosa si credeva finora?

L’Effetto Faraday è un fenomeno magneto-ottico scoperto nel 1845, in cui il piano di polarizzazione della luce ruota quando attraversa un materiale esposto a un campo magnetico costante. Tradizionalmente, la comunità scientifica ha sempre ritenuto che questa rotazione fosse causata unicamente dall’interazione tra il campo elettrico della luce e le cariche elettriche presenti nel materiale, ignorando l’influenza della componente magnetica della luce, ritenuta trascurabile.

Perché la nuova scoperta è così importante e quantificabile?

La ricerca della Hebrew University dimostra che il campo magnetico della luce fornisce un contributo diretto e misurabile all’Effetto Faraday, agendo sugli spin del materiale. Questa influenza non è marginale: utilizzando il cristallo TGG, i ricercatori hanno quantificato che la componente magnetica incide per circa il 17% nella luce visibile, e sale drasticamente al 70% quando si lavora con lo spettro infrarosso. Questo rende la componente magnetica un fattore primario a lunghezze d’onda maggiori.

Quali saranno le ricadute pratiche immediate sull’innovazione tecnologica?

La revisione di questo principio fondamentale accelera la ricerca in settori di frontiera. In particolare, è attesa una forte spinta per la Spintronica, che potrà manipolare gli spin degli elettroni in modo più efficiente usando la luce. Ci sono implicazioni dirette per l’archiviazione ottica dei dati e per lo sviluppo di future tecnologie di calcolo quantistico basate sullo spin, richiedendo una manipolazione estremamente precisa degli stati magnetici.

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