Fysiker vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har för första gången kunnat bevisa en länge förutspådd men ännu obekräftad fundamental effekt. I Faraday kiral anisotropi, utbredningsegenskaperna för ljusvågor förändras samtidigt av de naturliga och magnetfältsinducerade materialegenskaperna hos mediet genom vilket ljuset färdas. Forskarna fick bevis på att så är fallet genom att utföra experiment med nickelspiraler på nanometerskala. Deras resultat har nu publicerats i den akademiska tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Ljus överförs som sinusvågor som består av korsade elektriska och magnetiska fält och interagerar med materia. Denna interaktion kan påverkas, särskilt, av yttre magnetfält. Ett av de mest kända exemplen på denna magneto-optiska aktivitet är Faraday-effekten:om ljus riktas genom ett magnetiskt medium, som en kristall, ljusvågornas polarisationsplan lutar i en viss vinkel. Detta fenomen orsakas enbart på grund av magnetfältet och blir mer uttalat om ljuset passerar genom mediet igen i motsatt riktning. Rotationseffekten kan endast neutraliseras om även magnetfältets riktning ändras.

Den motsatta effekten ses i den naturliga optiska aktiviteten hos kirala medier utan magnetfält, där polarisationsplanets rotation upphävs när ljuset återigen passerar genom mediet i motsatt riktning. Kiral betyder att molekyler eller figurer har en spegelbild som inte kan läggas ovanpå den bara genom att rotera. Exempel är en människas vänstra och högra händer eller snigelskal med spiraler som löper i motsatta riktningar. Sockermolekyler är också kirala. Sättet de interagerar med ljus kan användas, till exempel, för att bestämma koncentrationen av socker i druvor.

Följer i Louis Pasteurs fotspår

Forskare har varit medvetna om både fenomen - naturlig och magnetisk optisk aktivitet - i mer än 150 år, och nästan samtidigt, forskare har varit säkra på att en kombination av de två måste existera. "Till och med Louis Pasteur, den berömda franska vetenskapsmannen, försökte bevisa en korrelation med hjälp av olika experiment, " förklarar Vojislav Krsti, Professor i tillämpad fysik vid FAU. "Självklart, Pasteur hade inte de känsliga instrument för att mäta frekvens som vi har idag. Men även med denna teknik, bevis har fortfarande förblivit svårfångade, till stor del på grund av det faktum att ingen har designat en lämplig experimentuppsättning."

Ett internationellt samarbete ledd av Vojislav Krsti har nu lyckats där Pasteur och många andra forskare har misslyckats. De har blivit de första att bekräfta "Faraday kiral anisotropi" i ett experiment, tillhandahåller en av de sista saknade bitarna i grundläggande magneto-optisk teori. Deras framgång berodde på en unik experimentuppsättning baserad på nickelspiraler. Forskarna producerade spiraler som spiralerade medurs och moturs, liknar i form av italiensk fusillipasta, på nanometerskalan genom att förånga nickel och föra samman atomer igen på en roterande skiva. "Diskans rotation gör att nanostrukturerna antar en skruvform istället för att formas till pelare som vanligtvis är fallet, " förklarar Krsti.

En 'skog' av helixar som ett kiralt medium

För själva experimentet, en "skog" av magnetiska nickelspiraler sattes upp på ett lager av silver. I en del av experimentet, endast moturs spiraler användes, och i den andra endast medsols. Helixarna fungerade som ett kiralt medium, och silverskiktet reflekterade ljusstrålen som riktades mot den. "Det faktum att vi reflekterade ljuset istället för att bara rikta det genom mediet var en avgörande faktor, säger Vojislav Krsti.

Tanken bakom experimentet var att om ljuset passerar genom spiralerna både på ut- och återresan, och om magnetfältets riktning ändras med en stor grad av precision, då borde i teorin de två grundläggande effekterna eliminera varandra, oavsett om spiralerna är medurs eller moturs. Om båda fenomenen påverkar varandra, dock, då bör en nätsignal finnas kvar som beter sig på motsatt sätt för medurs och moturs spiraler. Krsti noterar, "Vi mätte verkligen en nettosignal precis så här, därigenom bevisar korrelationen mellan den kirala och magnetiska effekten. Det var en av dessa "Eureka!" ögonblick varje forskare drömmer om."

Astroforskning i laboratoriet och impulser för kvantelektronik

Med sin forskning, forskarna ledda av Vojislav Krsti har inte bara lyckats ge experimentella bevis på en magnetoptikteori som länge har förutspåtts. Deras tillvägagångssätt innebär också att forskare kommer att kunna forska i vissa astrofysiska fenomen på jorden. Det är tänkt, till exempel, att Faraday kiral anisotropi äger rum i magnetiserade gasmoln där vissa astropartiklar modifierar ljusspektrumet som strålas ut av galaktiska och intergalaktiska medier. Fynden kan också ge nya impulser för ytterligare studier av kvantteknologier för elektroniska växlar, eftersom den beskrivna optomagnetiska processen också återfinns analogt under elektronisk excitation i fasta kroppar.