? ?我們對(duì)光的理解，或許從一開始便不夠全面。當(dāng)耶路撒冷希伯來大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)宣告推翻一個(gè)存續(xù)將近兩個(gè)世紀(jì)的光學(xué)假設(shè)之時(shí)，這不僅是對(duì)舊理論的調(diào)整——它意味著我們對(duì)于光與物質(zhì)相互作用的整個(gè)認(rèn)知架構(gòu)需重新書寫。
? ?這一發(fā)現(xiàn)，發(fā)表在《自然》旗下的《科學(xué)報(bào)告》上，核心結(jié)論，簡(jiǎn)單卻顛覆：光的磁性分量，并非無關(guān)緊要的配角，而是在法拉第效應(yīng)中，扮演著可直接測(cè)量的主角之一。這個(gè)結(jié)論，打破了自1845年邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)以來的基本假設(shè)——所有人都認(rèn)為，只有光的電場(chǎng)在與物質(zhì)相互作用，磁場(chǎng)成分被認(rèn)為，太弱而無足輕重。

兩個(gè)世紀(jì)的遺漏
? ?法拉第效應(yīng)，指的是當(dāng)光穿過處在恒定磁場(chǎng)中的物質(zhì)之時(shí)，其偏振方向會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)這樣一種現(xiàn)象。長(zhǎng)期以來,物理學(xué)家將這種現(xiàn)象完全歸因于光的電場(chǎng)與物質(zhì)中電荷的相互作用。
? ?但希伯來大學(xué)電氣工程與應(yīng)用物理研究所的AmirCapua博士和BenjaminAssouline通過Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程的高級(jí)計(jì)算證明,光的振蕩磁場(chǎng)能夠在材料內(nèi)部產(chǎn)生磁力矩,其作用方式類似于靜態(tài)磁場(chǎng)。
? ?研究團(tuán)隊(duì)選擇了鋱鎵石榴石（TGG）晶體，作為驗(yàn)證對(duì)象，——這是一種在法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中被廣泛使用的材料。數(shù)據(jù)顯示，在可見光波長(zhǎng)下，光的磁場(chǎng)分量，貢獻(xiàn)了約17%的偏振旋轉(zhuǎn)；而在紅外波段，這一比例，飆升至70%?！皳Q句話說，光并非僅僅照亮物質(zhì)，它還對(duì)物質(zhì)施加著磁性影響，”Capua博士解釋道。

被忽視的磁性力量
? ?這一發(fā)現(xiàn)的深層意義在于，揭示了光與物質(zhì)相互作用的多維性。傳統(tǒng)理論框架，將光簡(jiǎn)化為電磁波的電場(chǎng)部分，而磁場(chǎng)則被視為次要效應(yīng)。但新研究表明，光通過其磁場(chǎng)分量，直接與材料中的自旋相互作用，產(chǎn)生一階效應(yīng)，而非高階修正。
? ?研究團(tuán)隊(duì)的理論推導(dǎo)顯示，光致磁力矩，與光學(xué)強(qiáng)度成正比，并且隨曝光時(shí)間，線性累積。這意味著，即使在連續(xù)波（CW）條件下，磁場(chǎng)效應(yīng)，也能在長(zhǎng)時(shí)間曝光中，產(chǎn)生顯著影響。Assouline指出：“我們的結(jié)果表明，光，不僅通過電場(chǎng)與物質(zhì)‘對(duì)話’，還通過磁場(chǎng)——這一成分，直到現(xiàn)在才被充分認(rèn)識(shí)”。
? ?從數(shù)學(xué)角度看,研究證明了法拉第旋轉(zhuǎn)角的韋爾代常數(shù)(Verdetconstant)中包含源自光磁場(chǎng)的貢獻(xiàn),且該貢獻(xiàn)在長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍內(nèi)尤為顯著。這解釋了為什么在紅外波段,磁場(chǎng)效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位——波長(zhǎng)越長(zhǎng),磁場(chǎng)分量的相對(duì)作用越強(qiáng)。

技術(shù)前景的重新定義
? ?這一發(fā)現(xiàn)對(duì)多個(gè)前沿領(lǐng)域具有直接應(yīng)用價(jià)值。在自旋電子學(xué)中,利用光的磁場(chǎng)分量可實(shí)現(xiàn)更精確的自旋操控,這對(duì)開發(fā)基于自旋的量子計(jì)算技術(shù)至關(guān)重要。在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域,磁場(chǎng)調(diào)控為實(shí)現(xiàn)更高密度、更快速的寫入提供了新途徑。
? ?值得注意的是,研究還發(fā)現(xiàn)即使線性偏振光也能在特定條件下通過磁場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)演化,盡管凈力矩為零。這為利用非圓偏振光進(jìn)行磁性調(diào)控打開了可能性,拓寬了光磁控制的技術(shù)路徑。
? ?從產(chǎn)業(yè)角度來看，光通信，光學(xué)傳感器，磁光調(diào)制器等設(shè)備的設(shè)計(jì)原理或許需要重新進(jìn)行審視。當(dāng)磁場(chǎng)分量的貢獻(xiàn)達(dá)到17%到70%之時(shí)，若忽略這一因素，便可能致使性能預(yù)測(cè)出現(xiàn)偏差以及優(yōu)化空間被遺漏。

科學(xué)認(rèn)知的迭代邏輯
? ?這項(xiàng)研究提醒我們，即使是被認(rèn)為“已然解決”的經(jīng)典物理問題，仍或許隱藏著未曾被發(fā)覺的層面。法拉第效應(yīng)已存在180年，眾多實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其現(xiàn)象，不過對(duì)其機(jī)制的理解卻始終不夠完整。Capua團(tuán)隊(duì)之所以能夠取得突破，部分緣由在于他們采用了描繪磁性系統(tǒng)自旋運(yùn)動(dòng)的LLG方程，而非傳統(tǒng)的光學(xué)理論框架。
? ?值得思考的是，為何兩個(gè)世紀(jì)以來，物理學(xué)家未能發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)分量的作用？一個(gè)原因是，實(shí)驗(yàn)精度的限制——在可見光波段，17%的貢獻(xiàn)，可能淹沒在測(cè)量誤差中；另一個(gè)原因是，理論預(yù)設(shè)的慣性——當(dāng)電場(chǎng)“足夠好”地解釋時(shí)，很少有人去質(zhì)疑，是否存在其他機(jī)制。
? ?科學(xué)發(fā)展里，這樣的認(rèn)知盲區(qū)有不少。從牛頓力學(xué)發(fā)展到相對(duì)論，從經(jīng)典電磁學(xué)到量子力學(xué)，每次范式轉(zhuǎn)變，常常是因?yàn)橹匦聦徱暷切帮@而易見”的前提。希伯來大學(xué)的這項(xiàng)研究又顯示，基礎(chǔ)科學(xué)的重大進(jìn)步，通常來自對(duì)那些被忽略的細(xì)節(jié)深入研究。

從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用的距離
? ?盡管理論上取得了突破，不過從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到技術(shù)應(yīng)用依舊需要跨越諸多障礙。首先，需要研發(fā)出能夠精準(zhǔn)地測(cè)量并利用光磁場(chǎng)分量的實(shí)驗(yàn)裝置；其次，需要去探尋在不同材料體系中磁場(chǎng)效應(yīng)的具體呈現(xiàn)形式；最后，需要把這一機(jī)制融入到現(xiàn)有的技術(shù)框架當(dāng)中。
? ?當(dāng)前研究聚焦于TGG晶體這一特定材料，不過，光磁相互作用在其他磁性材料，以及半導(dǎo)體甚至生物組織中的行為，仍有待深入探索。波長(zhǎng)依賴性的進(jìn)一步研究亦極為關(guān)鍵——倘若磁場(chǎng)效應(yīng)在紅外和太赫茲波段更為強(qiáng)烈，這樣，這些頻段的應(yīng)用前景或許會(huì)超出預(yù)期。
? ?除此之外，研究還揭示了，自旋-軌道耦合可能為磁場(chǎng)貢獻(xiàn)，引入波長(zhǎng)依賴性，這為調(diào)控光磁相互作用，提供了額外自由度。未來研究可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，通過材料設(shè)計(jì)，和波長(zhǎng)選擇，能夠“定制”光磁效應(yīng)的強(qiáng)度和特性。
? ?你認(rèn)為光的磁性分量還會(huì)在哪些領(lǐng)域產(chǎn)生意想不到的影響?歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的見解。
? ? ?聲明：本文的內(nèi)容90%以上為自己的原創(chuàng)，少量素材借助AI幫助。但是，本文所有內(nèi)容都經(jīng)過自己嚴(yán)格審核。圖片素材全部都是來源真實(shí)素材簡(jiǎn)單加工。所寫文章宗旨為：專注科技熱點(diǎn)的解讀，用簡(jiǎn)單的語言拆解復(fù)雜的問題，無低俗等不良的引導(dǎo)，望讀者知悉。