Nieuwe berekeningen laten zien dat het magnetische deel van licht veel actiever is dan ooit werd aangenomen. Een 180 jaar oude natuurkundige aanname moet daardoor opnieuw worden herschreven, met grote gevolgen voor optica, magnetisme en toekomstige quantumtechnologie.
Een fundamentele aanname uit de natuurkunde, die bijna twee eeuwen oud is, moet opnieuw worden geschreven. Onderzoekers van de Hebrew University of Jerusalem tonen overtuigend aan dat de magnetische component van licht een veel grotere rol speelt in de interactie tussen licht en materie dan wetenschappers tot nu toe aannamen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Scientific Reports, verklaart het magnetische deel van licht ongeveer 17% van de optische rotatie in zichtbaar licht en zelfs 70% in het infrarood. Deze bijdrage werd in de klassieke optica altijd als verwaarloosbaar beschouwd.
Oude regel blijkt onhoudbaar
Sinds Michael Faraday in 1845 de naar hem vernoemde Faraday-rotatie beschreef, geldt in de natuurkunde één basisregel: alleen het elektrische veld van licht zorgt voor de draaiing van de polarisatie binnen een magnetisch veld.
Wetenschappers zagen het magnetische veld in licht, dat sinds Maxwells elektromagnetische theorie bekend is, altijd als een passieve en zwakke component zonder invloed. Maar die aanname blijkt nu onhoudbaar.
Nieuwe berekeningen bewijzen het tegendeel
Het team, onder leiding van dr. Amir Capua en Benjamin Assouline, ontwikkelde een nieuw theoretisch model dat laat zien dat het oscillerende magnetische veld van licht rechtstreeks koppelt aan de spins in een materiaal. En dat doet het op een manier die vergelijkbaar is met een statisch extern magnetisch veld. Een inzicht dat rechtstreeks indruist tegen wat generaties natuurkundigen aannamen.
Voor hun analyse gebruikten de onderzoekers Terbium Gallium Garnet (TGG), een veelgebruikt kristal in optische experimenten. TGG bleek ideaal om de magnetische bijdrage te kwantificeren — en die blijkt allesbehalve klein.
“Het statische magnetische veld ‘twist’ de lichtstraal, maar we laten nu zien dat licht zelf óók magnetisch terugpraat,” legt dr. Capua uit. “Het magnetische deel van licht is geen bijzaak. Het is een eerste-orde effect.”
Licht dat met magnetisme ‘praat’
Assouline omschrijft het treffend: “Licht praat met materie via zijn magnetische veld — en dat gesprek hebben we 180 jaar lang niet gehoord.” Dat betekent dat de manier waarop licht en magnetische ordening elkaar beïnvloeden veel rijker is dan eerder gedacht. ZZeker bij langere golflengten, waar de magnetische bijdrage dominant wordt, dwingt dit inzicht onderzoekers om bestaande modellen te herzien.
Niet enkel theorie
De ontdekking is niet enkel theorie, maar opent ook deuren richting praktijk. Zo kan de directe koppeling tussen licht en spins nieuwe mogelijkheden bieden voor spintronica, waar magnetische toestanden zonder elektrische stroom worden gemanipuleerd. Ook in optische gegevensopslag kan de sterkere magnetische invloed van licht leiden tot snellere en efficiëntere technieken.
Bovendien maakt het inzicht de weg vrij voor licht-gebaseerde magnetische sturing met lasers, en zelfs voor toepassingen in spin-gebaseerde quantumcomputers, waar nauwkeurige controle van spins essentieel is.
Een nieuwe kijk op licht
Wetenschappers beschrijven licht al sinds jaar en dag als een elektromagnetische golf, maar richten zich in de praktijk vooral op de elektrische component. De nieuwe studie maakt duidelijk dat dat beeld te beperkt is.
Daarmee staat de deur open voor een nieuwe generatie optische én magnetische technologie — allemaal dankzij een component van licht die we bijna twee eeuwen lang over het hoofd zagen.
