مقدمه ای بر مگنتو فوتونیک

به طور کلی مگنتواپتیک به دانشی گفته می شود که در آن برهم کنش میان نور و مواد مغناطیسی مورد بررسی قرار می گیرد. در سال ۱۸۴۵ مایکل فارادی مشاهده کرد که با عبور نور قطبیده ی خطی از شیشه در همان جهتی که به آن میدان مغناطیسی اعمال شده است، صفحه ی قطبش نوری می چرخد. این اثر ارتباط میان مغناطیس و نور را نشان می داد که آغاز علمی به نام مگنتواپتیک را رقم زد.

از لحاظ میکروسکوپی، جفت شدگی میان میدان الکتریکی نور و اسپین الکترون در ماده ی مغناطیسی از طریق برهم کنش اسپین و مدار رخ می دهد. خواص اپتیکی ماده توسط تانسور دی الکتریک آن تعیین می شوند که آن نیز به نوبه ی خود توسط حرکت الکترون ها در ماده تعیین می شود. توصیف میکروسکوپی اثر مگنتواپتیک بر اساس پاسخ های متفاوت الکترون ها به امواج الکترومغناطیسی چپ گرد و راست گرد خواهد بود.

از لحاظ کلاسیکی، با گذر باریکه ی نوری از ماده، میدان الکتریکی نور باعث حرکت الکترون ها در ماده می شود. در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، روشن است که میدان الکتریکی نور با قطبش چپ گرد می تواند الکترون ها را به حرکت چپ گرد، و میدان الکتریکی نور با قطبش راست گرد الکترون ها را به حرکت راست گرد وادارد. در این حالت، شعاع مدار الکترونی حرکت های راست گرد و چپ گرد برابر خواهند بود. از آن جایی که ممان دوقطبی الکتریکی متناسب با شعاع مدار است، بنابراین اختلافی میان ضرایب دی الکتریکی برای امواج الکترومغناطیسی راست گرد و چپ گرد وجود نخواهد داشت و در نتیجه چرخش فارادی دیده نخواهد شد. پس از اعمال میدان مغناطیسی خارجی در راستای موج الکترومغناطیسی، یک نیروی لورنتز اضافی بر هر الکترون وارد خواهد شد. این نیرو در جهت داخل یا خارج از مرکز دایره حرکت چپ گرد خواهد داشت. بنابراین شعاع از شعاع حرکت چپ گرد کاسته می شود و به شعاع حرکت راست گرد اضافه خواهد شد. اختلاف میان شعاع های این مدها منجر به اختلاف در ضرایب دی الکتریک آن ها می شود. بنابراین، این نیروی لورنتز میدان مغناطیسی خارجی است که اثر فارادی را به وجود می آورد.

اثر فارادی:

همان طور که پیش از این نیز اشاره شد، مایکل فارادی در سال ۱۸۴۵ کشف کرد که اگر یک قطعه شیشه تحت اعمال میدان مغناطیسی قرار گیرد، از لحاظ اپتیکی فعال می شود. با عبور نور قطبیده ی خطی به موازات میدان مغناطیسی اعمالی، صفحه ی قطبش نور می چرخد. زاویه ی چرخش صفحه ی قطبش متناسب با اندازه ی میدان مغناطیسی H و مسافت L که توسط نور در داخل ماده در طول میدان طی شده است.

از دیدگاه پدیده شناسی، اثر فارادی را می توانتوسط این واقعیت تشریح کرد که ضرایب شکست ماده ی مغناطیسی برای نور راست گرد و نور چپ گرد هنگامی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، متفاوت خواهند شد. در نتیجه نورهای با قطبش راست گرد و چپ گرد با سرعت های متفاوتی در ماده منتشر می شوند. اثر لارمور القایی مغناطیسی در مدارهای الکترونی را می توان ساده ترین مکانیزم برای اثر فارادی دانست.

اثر فویت:

در سال ۱۹۰۲ فویت کشف کرد هنگامی که میدان مغناطیسی به یک بخار اعمال شود که نور از آن به طور عمود بر میدان می گذرد، پدیده ی دوشکستی اتفاق می افتد. دلیل این دوشکستی، مرتب شدن مولکول های دارای ناهمسانگردی اپتیکی و مغناطیسی در جهت میدان اعمالی است.

پدیده ی دوشکستی خطی مغناطیسی یا به اختصار MLB، یک اثر زوج نسبت به میدان است و معمولا با شدت میدان تناسب توان چهار دارد. این موجب تغییرات بیضی گونگی نور قطبیده ی دایروی می شود که از داخل ملده عبور می کند. اثر MLB مشاهده شده در مواد مغناطیسی در بسیاری از موارد قوی تر از اثرات خطی مگنتواپتیکی (مانند اثر فارادی) است.

اثر کاتن-ماتن:

اثری مشابه با اثر فویت و البته قوی تر از آن در سال ۱۹۰۷ توسط کاتن و ماتن در مایعات کشف شد. آن ها در محیط های مایع مانند نیتروبنزن توانستند اثرات دوشکستی قوی را مشاهده کنند.

در بلورهای مایعی که از مولکول های دیامغناطیس تشکیل شده اند و دارای ناهمسانگردی قوی در پذیرفتاری مغناطیسی هستند، اثرات مگنتواپتیکی قوی ای مشاهده شده است. با این که پذیرفتاری مغناطیسی بلورهای مایع نسبتا ضعیف است، انرژی میدان مغناطیسی می تواند برای تغییر جهت مندی بلور مایع کافی باشد که این به سبب خاصیت همکاری بلور مایع به میدان مغناطیسی خارجی است. سپس، در ساختار جهت مند بلور مایع تغییری به دلیل ناهمساگردی قوی اپتیکی مولکول ها در تغییر القایی مغناطیسی دوشکستی ظاهر می شود. اثرات مگنتواپتیکی بسیار قوی ای نیز با همین ویژگی ها در مایعات مغناطیسی مشاهده شده است.

اثر مگنتواپتیک کر:

ناهمسانگردی اپتیکی ماده ی مغناطیسی می تواند خود را در بازتاب نور از سطح ماده نیز نشان دهد. چنین پدیده هایی به طور عمومی تحت عنوان اثر مگنتواپتیکی کر شناخته می شوند. این اثر در سال ۱۸۷۷ توسط جان کر هنگامی که بر روی نور بازتابی از انتهای پولیش شده ی یک الکترومگنت مطالعه می کرد، کشف شد. این کشف منجر به بردن جایزه ی مدال سلطنتی برای او در سال ۱۸۹۸ شد که به عنوان با اهمیت ترین کارهای دنباله ی کارهای فارادی شناخته شده بود.

بسته به جهت گیری بردار مغناطش نسبت به سطح بازتابنده و صفحه ی فرود نور، می توان سه حالت قطبی، طولی و عرضی را برای اثر مگنتواپتیک کر در نظر گرفت که هر یک بر اساس نحوه ی جهت گیری بردار مغناطش نسبت به فرود نور و سطح بازتاباننده بیان می شوند و کاربدهای مختلفی دارند.

به طور کلی، اثرات کر بسیار کوچک اند. برای مثال زاویه ی کر قطبی برای فرود عمود بر آهن، کبالت و نیکل در محدوده ی نور مریی معمولا کم تر از یک دهم درجه است.

برگرفته از: پایان نامه ی کارشناسی ارشد حسین علیصفایی، پژوهشکده ی لیزر و پلاسما، دانشگاه شهید بهشتی