Chiral Faraday effekt gennembrud, takket være spiraler lavet af nikkel

Fysikere ved Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har for første gang været i stand til at bevise en længe forudsagt, men endnu ikke bekræftet grundlæggende effekt. I Faraday kiral anisotropi, udbredelsesegenskaberne for lysbølger ændres samtidigt af de naturlige og magnetiske feltinducerede materialegenskaber for mediet, som lyset bevæger sig igennem. Forskerne opnåede bevis for, at dette er tilfældet ved at udføre eksperimenter med nikkelspiraler i nanometerskalaen. Deres resultater er nu blevet offentliggjort i det akademiske tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

Lys overføres som sinusbølger bestående af krydsede elektriske og magnetiske felter og interagerer med stof. Denne interaktion kan påvirkes, i særdeleshed, af eksterne magnetfelter. Et af de mest kendte eksempler på denne magneto-optiske aktivitet er Faraday-effekten:hvis lyset ledes gennem et magnetisk medium, såsom en krystal, lysbølgernes polariseringsplan vipper i en bestemt vinkel. Dette fænomen skyldes udelukkende på grund af magnetfeltet og bliver mere udtalt, hvis lyset igen passerer gennem mediet i den modsatte retning. Rotationseffekten kan kun neutraliseres, hvis magnetfeltets retning også ændres.

Den modsatte effekt ses i den naturlige optiske aktivitet af kirale medier uden et magnetfelt, hvor polariseringsplanets rotation annulleres, når lyset igen passerer gennem mediet i den modsatte retning. Chiral betyder, at molekyler eller figurer har et spejlbillede, som ikke kan overlejres på det blot ved rotation. Eksempler er et menneskes venstre og højre hånd eller snegleskaller med spiraler, der løber i modsatte retninger. Sukkermolekyler er også chirale. Den måde, de interagerer med lys på, kan bruges, for eksempel, for at bestemme koncentrationen af ​​sukker i druer.

Følger i Louis Pasteurs fodspor

Forskere har været klar over både fænomener - naturlig og magnetisk optisk aktivitet - i mere end 150 år, og for næsten samme tid, forskere har været sikre på, at en kombination af de to skal eksistere. "Selv Louis Pasteur, den berømte franske videnskabsmand, forsøgte at bevise en sammenhæng ved hjælp af forskellige forskellige eksperimenter, "forklarer Vojislav Krsti, Professor i anvendt fysik ved FAU. "Selvfølgelig, Pasteur havde ikke de følsomme instrumenter til måling af frekvens, som vi har i dag. Men selv ved at bruge denne teknologi, bevis har stadig været undvigende, hovedsagelig på grund af det faktum, at ingen har designet et passende eksperimentopsætning. "

Et internationalt samarbejde ledet af Vojislav Krsti er nu lykkedes, hvor Pasteur og mange andre forskere har fejlet. De er blevet de første til at bekræfte "Faraday chiral anisotropy" i et eksperiment, leverer en af ​​de sidste manglende stykker i grundlæggende magneto-optisk teori. Deres succes skyldtes et unikt eksperimentopsætning baseret på nikkelspiraler. Forskerne producerede spiraler, der spiraliserede med uret og i retning mod uret, ligner formen italiensk fusillipasta på nanometerskalaen ved at fordampe nikkel og bringe atomer sammen igen på en roterende skive. "Skivens rotation betyder, at nanostrukturerne får en skrueform i stedet for at danne søjler, som det normalt er tilfældet, ”forklarer Krsti.

En 'skov' af spiraler som et chiralt medium

Til selve forsøget, en "skov" af magnetiske nikkelspiraler blev opsat på et lag sølv. I en del af forsøget, der blev kun brugt spiraler mod uret, og i den anden kun med uret. Helixerne fungerede som et chiralt medium, og sølvlaget reflekterede lysstrålen rettet mod det. "Det faktum, at vi reflekterede lyset i stedet for blot at lede det gennem mediet, var en afgørende faktor, ”siger Vojislav Krsti.

Ideen bag forsøget var, at hvis lyset passerer gennem spiralerne både på den udadgående og hjemrejsen, og hvis magnetfeltets retning ændres med stor grad af præcision, så i teorien skulle de to grundlæggende effekter annullere hinanden, uanset om spiralerne er med eller mod uret. Hvis begge fænomener påvirker hinanden, imidlertid, så skal der være et nettosignal tilbage, som opfører sig på den modsatte måde for urets og mod urets spiraler. Krsti bemærker, "Vi målte faktisk et net -signal ligesom dette, derved beviser sammenhængen mellem den chirale og magnetiske effekt. Det var en af ​​de 'Eureka!' øjeblikke hver forsker drømmer om. "

Astro -forskning i laboratoriet og impulser til kvanteelektronik

Med deres forskning, forskerne under ledelse af Vojislav Krsti er ikke kun lykkedes med at levere eksperimentelt bevis på en magnetooptisk teori, som længe har været forudsagt. Deres tilgang betyder også, at forskere vil være i stand til at undersøge visse astrofysiske fænomener på Jorden. Det er tænkt, for eksempel, at Faraday chiral anisotropi finder sted i magnetiserede gasskyer, hvor visse astropartikler ændrer lysspektret, der udstråles af galaktiske og intergalaktiske medier. Resultaterne kan også give nye impulser til yderligere undersøgelse af kvanteteknologier til elektroniske switches, som den beskrevne optomagnetiske proces også findes analogt under elektronisk excitation i faste legemer.