Ғалымдар толық түсіндік деп ойлаған құбылыстың 200 жылдан кейін жаңа құпиясы ашылды

Aikyn.kz табиғаттағы құбылыстардың себебін түсінгісі келетіндер үшін zmescience.com материалына сүйеніп, тағы бір физиканың жаңалығын ұсынады.1845 жылы Майкл Фарадей жарық пен магнетизм арасында байланыс бар екенін дәлелдейді. Ол жарықты магнит өрісіндегі әйнек арқылы өткізіп, оның толқынының тербеліс бағыты (поляризация) өзгеретінін байқайды. Осы қарапайым тәжірибенің нәтижесі бүгінге дейін Фарадей эффекті деп аталады. Шамамен екі ғасырға жуық уақыт бойы ғалымдар бұл құбылысты толық түсіндік деп есептеп келді. Жарық үшін тек электрлік компонент маңызды рөл атқарады деп ойлады.

Алайда Иерусалимдегі Еврей университетінің (The Hebrew University of Jerusalem) физиктері бұл түсінік толық емес екенін айтуда. Жаңа зерттеулерге сәйкес, жарықтың бұған дейін еленбеген магниттік компоненті де Фарадей эффектіне тікелей әсер етеді екен. 

«Жарық тек затты жарықтандырып қана қоймай, оған магниттік ықпал да жасай алады», – дейді зерттеуші Амир Капуа мен оның әріптесі Бенджамин Ассулин.

Физиктер теориялық модельдеу әдістерін қолдана отырып, жарықтың тербелмелі магнит өрісі материал ішіндегі электрондардың спиндерін «қисайта» алатынын және материалдан өткен кезде жарықтың бағыты да бұрылатынын көрсеткен.

Жарық – электромагниттік толқын. Ол тербеліп тұрған электрлік және магниттік өрістерден тұрады. Физиктер бұрын электрлік компонентке көбірек көңіл бөліп, ол зарядталған бөлшектермен әрекеттесіп, оптикалық құбылыстарды тудыратынын жақсы зерттеді. Ал жарықтың магниттік өрісі Фарадей эффектінде рөл атқармайды деп болжанды.

Жарықтың магниттік компоненті Фарадей эффектіне тікелей әсер етеді. Фото sciencedaily.com сайтынан алынды. Авторлығы: Enrique Sahagún

«Жарықтың материалдармен әрекеттесетін екінші бір компоненті бар екенін енді түсіндік», – дейді Капуа New Scientist журналына берген сұхбатында. Ол магниттік күштердің көп материалда электр өрісімен салыстырғанда өте әлсіз болатынын, ал спиндердің жарықтың тербелісімен үйлеспейтінін атап өткен.

Бірақ егер жарық шеңберлі поляризацияға ие болса (оның толқындары штопор тәрізді бұралып тұрса), онда жарықтың магниттік компоненті электрон спиндерімен әлдеқайда күшті әрекеттесе алады. Ландау-Лифшиц-Гилберт (ЛЛГ) теңдеуін пайдаланған Капуа мен Ассулин бұл оптикалық магнит өрісі материал ішінде бөлшектерді бұратын күшті (өзіндік магнит моментін) тудыратынын дәлелдеген.

Тербий-галлий граната (TGG) кристалын модельге қолдана отырып, зерттеушілер жарықтың магнит өрісі Фарадей эффектіне көрінетін жарық диапазонында шамамен 17%, ал инфрақызыл диапазонда 70%-ға дейін үлес қосатынын анықтаған.

«Нәтижелер жарықтың материалмен тек электрлік өріс арқылы ғана емес, магниттік өріс арқылы да «байланысатынын» көрсетеді», – дейді Ассулин.

Бұл жаңалық ғалымдардың Верде константасы туралы түсінігін өзгертеді. Ол белгілі бір материалдың магнит өрісінде жарық толқынының тербеліс бағытын (поляризациясын) қаншалықты бұратынын сипаттайтын шама. Бұған дейін Верде константасы жарықтың электрлік компонентінің зарядтармен әрекеттесуіне ғана тәуелді деп есептелді. Алайда еврей зерттеушілері ЛЛГ теңдеуі бұл константаны тек магниттік компонент арқылы да шамалай болжауға болатынын көрсетті.

Зерттеу одан да маңызды жайтты анықтады. Фарадей эффекті мен кері Фарадей эффекті (эффектінің уақыт бойынша кері аналогы) – бір-бірінің айнадағы көрінісі емес. Кері эффект кезінде күшті жарық импульстары материалдарды ешқандай сыртқы магнит өрісінсіз магниттей алады. Яғни, жарық спиндерін жалғыз өзі «аударып» жібереді. Ғалымдардың айтуынша, бұл екі құбылыс ультражылдам уақыт шкалаларында толық өзара кері емес. Себебі олар спин динамикасының әртүрлі түрлеріне тәуелді.

Бұл құбылыстарды түсіндіру фемтосекундтық лазерлер қолданылатын ультра жылдам магнетизм саласындағы кейбір құпияларды ашуға көмектесуі мүмкін. Бұл технология болашақта деректерді сақтау мен есептеу салаларында маңызды рөл атқарады деп болжануда.

«Жарық материямен өте қысқа уақыт аралығында әрекеттескен жағдайда да, оның магниттік компоненті таңғаларлықтай күшті әсер бере алады», – дейді Капуа.

Жарықтың магниттік әсер ету қабілеті спинтроника, оптикалық деректерді сақтау және кванттық есептеулерге жаңа мүмкіндіктер ашады деп күтілуде. Себебі бұл салалардың барлығы спин күйін дәл басқаруға сүйенеді.

Қазіргі таңда Амир Капуа мен Бенджамин Ассулин жұмыстары – теориялық жаңалық. Бірақ теория тәжірибе арқылы дәлелденбейінше толық мойындалмайды. Әзірге жарықтың бұл магниттік әсері лабораторияда тікелей өлшенген жоқ. Келесі қадам – жарықтың магниттік моментін материалдың электрлік сигналынан бөле алатындай аса дәл эксперименттер жасау. Егер нәтиже расталса, 1840 жылдардан бері өзгермеген оптика заңдары қайта жазылуы мүмкін.

Фарадей жарық пен магнетизм арасындағы байланысты ашқаннан бері 180 жыл өтті. Енді ғалымдар осы құбылыстың ұзақ уақыт бойы еленбей келген екінші жартысын тапты. Ол біздің көз алдымызда тербеліп тұр екен.

Мына видеода адамзаттың тағы бір жұмбақты қалай шешкені баяндалады: 

Бұл жаңалық қазақ ғылымына не береді?

Қазақ Елінде кванттық технологиялар, оптоэлектроника және жаңа материалдар салалары біртіндеп дамып келе жатыр. Бұл бағыттар әлі де толыққанды индустрия деңгейіне жеткен жоқ. Назарбаев Университетіндегі кванттық зертханаларда, ҚазҰУ мен ЕҰУ, Satbayev University ұлттық зерттеу университеттерінде фотоника және наноматериалдар бойынша маңызды ғылыми бастамалар бар. Олардың көпшілігі тек зерттеу не лабораториялық деңгейде қалып отыр. Жабдықтардың қымбаттығы мен кадр тапшылығы – тежегіш фактор болып саналады.

Бізде кванттық және оптоэлектрондық зерттеулер бар, бірақ олар әлі бастапқы деңгейде. Коммерцияланған жоғары технологиялық индустрия жоқ. Дегенмен Фарадей эффекті сияқты физикалық құбылыстардың жаңа қасиеттерінің ашылуы – отандық зерттеулерге серпін беріп, кванттық оптика, спинтроника, жаңа материалдар сияқты бағыттарды күшейтуге мүмкіндік ашады деп ойлаймыз.

Сараптама, зерттеу мақала, күнделікті өзекті ақпаратты «Айқынның» TELEGRAM арнасынан табасыз.