Открытие эффекта вращения поляризации света в намагниченной среде М. Фарадеем

Как мы убедились из предыдущих вопросов, нетривиальные проявления света имеют место в анизотропных средах, либо при несимметричном падении света на границу раздела. Майкл Фарадей (1791–1867) обнаружил, что эта анизотропия может быть наведена и внешним магнитным полем. Эффект, ныне называемый продольным магнитооптическим эффектом Фарадея (или просто эффектом Фарадея), заключается во вращении поляризации света в диэлектрике, помещенном в однородное магнитное поле. Плоскость поляризации линейно поляризованного света поворачивается на угол, пропорциональный пройденному лучом расстоянию.

Данный эффект был открыт Фарадеем в 1845 году и впоследствии объяснен Френелем. Дадим краткий обзор модели Френеля. Для этого заметим, что циркулярно поляризованную плоскую монохроматическую волну, распространяющуюся в направлении оси , можно записать в виде:

где  — волновое число,  — частота волны,  — ее амплитуда, а  — единичные орты в направлении осей . Фазовая скорость такой волны . Как обычно принято при использовании комплексных обозначений, физический смысл имеет вещественная часть вектора напряженности; в случае, когда амплитуда вещественна,

т.е. данный вектор поворачивается вокруг оси вправо/влево с течением времени. По этой причине две записанных выше циркулярных поляризации называются правой и левой. Линейно поляризованная волна может быть составлена из двух циркулярно поляризованных и наоборот:

поэтому циркулярная поляризация, несмотря на свою нетривиальность, представляет из себя всего лишь суперпозицию двух волн, линейно поляризованных вдоль осей и и имеющих разность фаз .

Если вещество является изотропным, то в нем волны с двумя линейными, а, значит, и с двумя циркулярными поляризациями обладают одной и той же скоростью.

Пусть теперь в таком изотропном диэлектрике наведено однородное магнитное поле с напряженностью . На электроны, двигавшиеся внутри него в силовых полях , создаваемых ядрами и другими электронами, теперь будет действовать и сила Лоренца со стороны магнитного поля:

Сила Лоренца по виду соответствует силе инерции Кориолиса , которая действует на тела с массой , находящиеся в неинерциальной системе отсчета, вращающейся с постоянной угловой скоростью . Поэтому, перейдя в систему отсчета, вращающуюся относительно диэлектрика со скоростью

мы получим уравнения движения, имевшие место в отсутствие магнитного поля:

(на самом деле, в данной системе возникает еще центробежная сила, однако она пропорциональна и очень мала для атомных масштабов ). Таким образом, мы заключаем, что электроны вещества в присутствии магнитного поля претерпевают ларморову прецессию с частотой вокруг направления магнитного поля.

Относительно таких электронов скорости вращения вектора электрического поля право- и левополяризованной волн будут уже равны . Если же исследуемое вещество обладает дисперсией, т.е. зависимостью фазовой скорости волн от частоты, мы получаем различные значения волновых чисел для право- и левополяризованной волн:

В результате волна с частотой , поляризованная в точке вдоль оси , должна представлять из себя сумму право- и левополяризованных волн с волновыми числами :

Поляризация такой волны в каждой точке линейная, но составляет с осью угол

т.е. прохождение через толщу вещества приводит к вращению поляризации света.

С современной, квантовой точки зрения эффект Фарадея объясняется на основе эффекта Зеемана — расщепления энергетического спектра электрона во внешнем магнитном поле по квантовому числу, определяющему проекцию его момента импульса на направление поля. Это приводит к тому, что световая волна обменивается с веществом право- и левополяризованными фотонами с разной интенсивностью, поэтому насыщается фотонами одной из этих поляризаций. Последнее и проявляется в явлении вращения поляризации.

Эффект Фарадея используется в магнитооптических запоминающих устройствах, линиях передачи информации, а также на его основе пытаются создать оптические транзисторы — приборы, в которых лучи света управляют другими лучами света. Из таких элементов предполагается строить оптические компьютеры, которые должны обладать скоростью, на порядки превышающей скорости современных, «электрических» компьютеров. Для сравнения достаточно представить, что частота видимого света на 5–6 порядков величины превышает тактовые частоты современных процессоров.

Важно отметить, что эффект, открытый Майклом Фарадеем, был одним из первых эффектов, говоривших о взаимосвязи магнитного поля и света. Он был одним из первых аргументов в пользу гипотезы электромагнитной природы света.

<<К предыдущему эксперименту  |  Оптика  |  К следующему эксперименту>>