De inzichten over de aard van licht hebben een onverwachte sprong voorwaarts gemaakt dankzij nieuwe theoretische onderzoeken die een van de fundamentele fenomenen van het elektromagnetisme herdefiniëren. Een experiment dat in 1845 door de Britse fysicus Michael Faraday werd uitgevoerd, toonde voor het eerst aan dat licht en magnetisme nauw met elkaar verbonden zijn, wat de weg vrijmaakte voor de moderne elektromagnetische theorie. Vandaag, bijna 180 jaar later, hebben Israëlische onderzoekers ontdekt dat deze verbinding veel dieper is dan de wetenschappelijke gemeenschap gedurende bijna twee eeuwen heeft aangenomen.
Amir Capua en Benjamin Assouline van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem hebben theoretische berekeningen gepubliceerd die een gevestigde veronderstelling in de fysica van het elektromagnetisme op zijn kop zetten. In het klassieke Faraday-experiment ging een lichtstraal door een blok glas dat borzuur en loodoxide bevatte, ondergedompeld in een magnetisch veld. Het licht dat eruit kwam, was anders gepolariseerd dan het invallende licht: het vlak van oscillatie van de elektromagnetische golf had een rotatie ondergaan. Jarenlang werd dit fenomeen uitsluitend toegeschreven aan de interactie tussen het externe magnetische veld, de elektrische ladingen in het materiaal en de elektrische component van de lichtstraling.
De twee Israëlische onderzoekers hebben echter wiskundig aangetoond dat wanneer de magnetische component van licht een cirkelpolarizatie vertoont – dat wil zeggen wanneer het magnetische veld van de golf roteert en een spiraalvormige baan beschrijft – deze intensief kan interageren met de kwantumspins in magnetische materialen. Deze ontdekking is bijzonder relevant, omdat natuurlijk licht altijd uit verschillende componenten met cirkelpolarizatie bestaat, zelfs zonder specifieke manipulaties. Zoals Capua opmerkt: “Er is een tweede deel van het licht dat we nu begrijpen dat interactie heeft met materialen”, wat nieuwe perspectieven opent voor het begrijpen van de straling-materie interactie.
De redenen waarom deze magnetische component tot nu toe over het hoofd is gezien, zijn in wezen twee. Ten eerste lijken de magnetische krachten binnen de materialen die historisch zijn gebruikt in Faraday-experimenten veel zwakker dan elektrische krachten. Ten tweede zijn de kwantumspins in gemagnetiseerde materialen – die functioneren als minuscule microscopische magneten – typisch uitgelijnd ten opzichte van de magnetische component van lichtgolven, wat een zwakke interactie suggereert. Deze gevestigde opvatting heeft het onderzoek bijna twee eeuwen geleid naar de bijna exclusieve studie van de elektrische component.
De theoretische berekeningen die door de Israëlische onderzoekers zijn gepresenteerd, hebben verrassende kwantitatieve resultaten onthuld wanneer het experiment wordt herhaald met Terbium Gallium Garnet (TGG), een geavanceerd magnetisch materiaal in plaats van het originele glas van Faraday. Met zichtbaar licht zou de magnetische interactie 17% van het totale waargenomen Faraday-effect bijbrengen. Maar met infraroodstraling zou deze magnetische bijdrage tot 70% stijgen, waardoor het de dominante component van het fenomeen wordt. Deze waarden geven aan dat onder bepaalde experimentele omstandigheden en met specifieke materialen de rol van de magnetische component van licht helemaal niet te verwaarlozen is.
Igor Rozhansky, een fysicus aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk, heeft de nieuwe berekeningen als overtuigend beoordeeld en verwacht dat ze in de nabije toekomst zullen worden onderworpen aan concrete experimentele verificaties. Volgens Rozhansky zou deze tot nu toe verwaarloosde magnetische component van het Faraday-effect onderzoekers een nieuw instrument kunnen bieden om de spins binnen materialen met precisie te manipuleren. De vraag blijft, benadrukt de Britse fysicus, of dit magnetische effect in bepaalde materialen daadwerkelijk sterker kan zijn dan het traditionele Faraday-effect dat gebaseerd is op elektrische interactie.
De praktische implicaties van deze theoretische ontdekking kunnen zich veel verder uitstrekken dan fundamentele fysica. De mogelijkheid om kwantumspins met meer precisie te manipuleren door middel van de magnetische component van licht opent perspectieven voor de ontwikkeling van spin-gebaseerde sensoren en nieuwe generaties magnetische geheugentoestellen. Capua zegt al tekenen te zien van technologische toepassingen die voortkomen uit het begrip dat magnetische spins in bepaalde materialen significant interageren met de magnetische component van elektromagnetische straling. Spintronica, een discipline die het spin van elektronen benut naast hun lading om informatie te verwerken en op te slaan, zou kunnen profiteren van deze nieuwe controlemechanismen.
Toekomstige experimenten zullen de theoretische voorspellingen moeten verifiëren, en nauwkeurig de magnetische bijdrage aan het Faraday-effect in materialen zoals TGG meten met behulp van verschillende golflengten. De overgang van fundamentele fysica naar praktische toepassingen zal waarschijnlijk jaren van onderzoek vereisen, maar de ontdekking dat een fundamentele component van een fenomeen dat al bijna twee eeuwen wordt bestudeerd substantieel werd onderschat, bewijst dat zelfs schijnbaar gevestigde theorieën verrassingen kunnen verbergen. Licht, dat de mensheid sinds de oorsprong van de beschaving vergezelt, en de fysica vanaf haar begin, blijft complexer en fascinerender dan we ooit dachten.
