Bilim insanları, ışığın bir malzemeden geçerken sadece elektrik alanının değil, kendi manyetik bileşeninin de madde ile etkileşime girdiğini keşfederek, 180 yıldır süregelen bir varsayımı çürüttü. Bu yeni bulgu, ışık ve madde arasındaki etkileşimin anlaşılmasını kökten değiştirebilir.
Daha önce Faraday etkisi olarak bilinen bu fenomen, 1845'te keşfedilmiş ve ışığın manyetizma ile etkileşiminin ilk kanıtlarından birini sunmuştu. Faraday etkisi, bir ışık demetinin manyetik alana maruz kalan şeffaf bir malzemeden geçerken polarizasyon yönünün değiştiğini tanımlar.
Basit bir ifadeyle, ışığın salınımları çeşitli yönlerde olabileceği gibi, polarize olduğunda bu salınımlar tek bir yönde düzenlenir.
Uzun yıllar boyunca, Faraday etkisinin ışığın polarizasyonuna olan etkisinin yalnızca elektromanyetik dalganın elektrik bileşeninin malzemenin manyetizması ve uygulanan ek manyetik alanla etkileşiminden kaynaklandığı düşünülüyordu.
Ancak, Kudüs İbrani Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi, ışığın polarizasyonunun bir malzemede manyetik bir an oluşturduğu, yani Faraday etkisinin tersi yönde işleyen ince ama belirgin bir etkiyi deneysel olarak gösterdi. Yeni çalışmalarında ise bu bulguları, katı malzemelerdeki manyetizmanın dinamiklerini tanımlayan karmaşık hesaplamalarla birleştirdiler.
Araştırmacılar, fiber optik ve telekomünikasyon teknolojilerinde yaygın olarak kullanılan ve mıknatıslanabilen bir kristal olan Terbiyum-Galyum-Garnet'in fiziksel modellerini kullanarak hesaplamalarını yaptılar. Bu hesaplamalar, ışığın manyetik alanının, görünür dalga boylarında Faraday etkisinin yaklaşık %17'sine, kızılötesi dalga boylarında ise %70'ine katkıda bulunduğunu gösteriyor. Bu oranlar, daha önce düşünülenin aksine, göz ardı edilemeyecek kadar önemli.
Sonuç olarak, araştırmacılar Faraday etkisinin sadece ışığın elektrik alanı tarafından değil, aynı zamanda ışığın salınan manyetik alanı tarafından da doğrudan etkilendiğini ortaya koydu.
Fizikçi Amir Capua, bulguları şöyle özetliyor: "Işık sadece maddeyi aydınlatmakla kalmaz, aynı zamanda onu manyetik olarak da etkiler. Sabit manyetik alan ışığı 'döndürür' ve ışık da karşılığında malzemenin manyetik özelliklerini ortaya çıkarır. Bulduğumuz şey, ışığın manyetik kısmının birinci dereceden bir etkiye sahip olduğu ve bu süreçte şaşırtıcı derecede aktif olduğudur.">
Bu araştırma, ışığın manyetik alanının madde ile etkileşime girmenin başka bir yolunu bulduğunu gösteriyor. Bu etkileşim, elektronun yüküyle değil, spin adı verilen diğer temel özelliğiyle gerçekleşiyor. Her elektron, hem yüke hem de spine sahiptir.
Capua, buluşu şu şekilde açıklıyor: "Bu etkinin özünde, belirlediğimiz temel bir prensip yatıyor. Genel olarak elektronun spinini, ekseni etrafında dönen küçük bir yük gibi hayal edebilirsiniz. 'Dönen elektron' ile etkileşime girmek ve spin ekseninin yönünü saptırmak için, onunla etkileşime giren manyetik alanın da 'dönmesi', yani dairesel olarak polarize olması gerekir."
Capua, bunun "güzel dengelenmiş bir tablo oluşturduğunu" ekliyor: "Elektrik alanı yüke doğrusal bir kuvvet uygularken, 'dönen' dairesel polarize bir manyetik alan elektronun spini üzerinde bir tork uygular."
Yerleşik Faraday etkisindeki bu göz ardı edilmiş etkileşimin keşfi, bilim insanlarına ışığı ve maddeyi daha hassas bir şekilde kontrol etme imkanı sunabilir. Bu da sensörler, bellek ve hesaplama alanlarında, özellikle spin tabanlı kuantum bitlerinin daha hassas kontrolü yoluyla kuantum bilgisayar yenilikleri gibi alanlarda ilerlemelere yol açabilir.
Ayrıca, spintronik alanı, bilgi depolamak ve işlemek için yükler yerine elektron spinlerini kullanıyor. Elektrik mühendisi Benjamin Assouline, "Bu keşif, manyetik bilgiyi doğrudan ışıkla kontrol edebileceğinizi öne sürüyor" diyor.
Bu çalışma, bilimin temel taşlarından birini hatırlatıyor: araştırmacılar, yerleşik modellerde bile, her zaman ışığın veya diğer elektromanyetik olguların henüz bilinmeyen başka özelliklerini keşfedebilirler.
Bu araştırma, Scientific Reports dergisinde yayımlanmıştır.
