הרכיב המגנטי של האור - ולא רק הרכיב החשמלי שלו - משפיע ישירות על התנהגות החומר. התגלית של חוקרים מהאוניברסיטה העברית מערערת תפיסה מדעית בת קרוב ל-200 שנה. המחקר פורסם בכתב העת המדעי Scientific Reports של Nature.
המחקר, שנערך על ידי ד"ר אמיר קפואה ובנימין אסולין מהמכון להנדסה חשמלית ופיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, מציג הוכחה ראשונה לכך שהשדה המגנטי המתנודד של האור תורם לאפקט פאראדיי (Faraday effect) – תופעה שבה כיוון הקיטוב של קרן אור מסתובב כשהיא עוברת בתוך חומר המושפע משדה מגנטי חיצוני קבוע.
במילים פשוטות, מדובר באינטראקציה בין אור למגנטיות: השדה המגנטי הקבוע "מסובב" את האור, שמגלה מצידו מידע על התכונות המגנטיות של החומר. האפקט, שהתגלה כבר במאה ה־19, נחשב לאחת הראיות הראשונות לכך שאור ומגנטיות הם שני היבטים של אותה תופעה פיזיקלית – הבסיס למה שמוכר כיום כתורת האלקטרומגנטיות של מקסוול.
3 צפייה בגלריה
תמונה המתארת את שולחן המעבדה של מייקל פאראדיי מאחד הימים שערך בו את הניסויים שלו. בתמונה רואים אינטראקציה של האור עם הספינים בחומר - זו האינטראקציה שהחוקרים גילו שגורמת לאפקט של פאראדיי
(איור: Enrique Sahagún)
מאז גילוי אפקט פאראדיי בשנת 1845 על ידי המדען הבריטי מייקל פאראדיי (ממציא הדינמו - המנוע החשמלי הראשון אי פעם), היה מקובל לחשוב שהתופעה נובעת אך ורק מאינטראקציה בין השדה החשמלי של האור למטענים בחומר. אך המחקר החדש מגלה כי גם הרכיב המגנטי של הקרינה האלקטרומגנטית - שנחשב עד כה זניח - תורם תרומה ישירה ומשמעותית לאפקט זה.
"הראינו שהחלק המגנטי של האור לא רק משמעותי, אלא גם פעיל בצורה מפתיעה באינטראקציה עם ספינים במערכת המגנטית של החומר", מסביר ד"ר קפואה. "ההשפעה הזאת היא ישירה ובסיסית (מסדר ראשון במונחי השדה המגנטי) – לעומת ההשפעה החשמלית, שהיא עקיפה יותר. זה כמו לגלות שכדור נופל בגלל כוח המשיכה, ולא מסיבה עקיפה אחרת".
באמצעות חישובים מתקדמים ותיאוריה פיזיקלית המבוססת על משוואת לנדאו-ליפשיץ-גילברט - מודל המתאר את תנועת הספינים במערכת מגנטית - החוקרים הראו שהשדה המגנטי של האור עצמו מסוגל להפעיל מומנט מגנטי בתוך החומר, ממש כמו שדה מגנטי רגיל. במילים אחרות, האור אינו רק "מאיר" את החומר - הוא משפיע עליו מגנטית.
כדי לבדוק עד כמה ההשפעה הזו משמעותית, יישמו החוקרים את המודל על חומר קריסטלי נפוץ בתחום האופטיקה - Terbium Gallium Garnet (TGG) - המשמש כסטנדרט למדידת אפקט פאראדיי. הם גילו כי התרומה של השדה המגנטי של האור מהווה כ-17% מהאפקט הנמדד באורכי גל של אור נראה, ואף יכולה להגיע לכ-70% באורכי גל ארוכים יותר בתחום התת-אדום. "התוצאות שלנו מצביעות על כך שהאור 'מדבר' עם החומר לא רק באמצעות השדה החשמלי שלו, אלא גם באמצעות המרכיב המגנטי שלו, שעד כה כמעט לא נחקר", אומר אסולין.
לתגלית יש השלכות נרחבות על הבנת תופעות יסוד באופטיקה ובמגנטיות, ובמיוחד בתחומים מתקדמים כמו ספינטרוניקה - תחום מחקר מתפתח המשלב פיזיקה של ספינים עם הנדסת חשמל. הבנה מחודשת של האופן שבו אור מתקשר עם ספינים עשויה לאפשר בעתיד שליטה מדויקת יותר בשדות מגנטיים באמצעות אור, פיתוח רכיבים אופטיים חדשים, קידום טכנולוגיות אחסון מידע מבוססות אור, ואף התקדמות לעבר מחשוב קוונטי מבוסס ספין.
"מעבר לחשיבות המדעית, זו תגלית שאנחנו גאים בה גם כישראלים", אומר ד"ר קפואה. "זו הוכחה לכך שמדע פורץ דרך נעשה כאן, באוניברסיטה העברית בירושלים. התגלית הזו מצטרפת לשיח המדעי העולמי סביב אחד הנושאים המרכזיים של הפיזיקה – הקשרים שבין אור, חשמל ומגנטיות". המחקר נערך בתמיכת הקרן הלאומית למדעים.
