光的磁場被忽視了200年？

? ?我們對光的理解，或許從一開始便不夠全面。當耶路撒冷希伯來大學的研究團隊宣告推翻一個存續將近兩個世紀的光學假設之時，這不僅是對舊理論的調整——它意味著我們對于光與物質相互作用的整個認知架構需重新書寫。
? ?這一發現，發表在《自然》旗下的《科學報告》上，核心結論，簡單卻顛覆：光的磁性分量，并非無關緊要的配角，而是在法拉第效應中，扮演著可直接測量的主角之一。這個結論，打破了自1845年邁克爾·法拉第發現該效應以來的基本假設——所有人都認為，只有光的電場在與物質相互作用，磁場成分被認為，太弱而無足輕重。

兩個世紀的遺漏
? ?法拉第效應，指的是當光穿過處在恒定磁場中的物質之時，其偏振方向會發生旋轉這樣一種現象。長期以來,物理學家將這種現象完全歸因于光的電場與物質中電荷的相互作用。
? ?但希伯來大學電氣工程與應用物理研究所的AmirCapua博士和BenjaminAssouline通過Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程的高級計算證明,光的振蕩磁場能夠在材料內部產生磁力矩,其作用方式類似于靜態磁場。
? ?研究團隊選擇了鋱鎵石榴石（TGG）晶體，作為驗證對象，——這是一種在法拉第效應實驗中被廣泛使用的材料。數據顯示，在可見光波長下，光的磁場分量，貢獻了約17%的偏振旋轉；而在紅外波段，這一比例，飆升至70%。“換句話說，光并非僅僅照亮物質，它還對物質施加著磁性影響，”Capua博士解釋道。

被忽視的磁性力量
? ?這一發現的深層意義在于，揭示了光與物質相互作用的多維性。傳統理論框架，將光簡化為電磁波的電場部分，而磁場則被視為次要效應。但新研究表明，光通過其磁場分量，直接與材料中的自旋相互作用，產生一階效應，而非高階修正。
? ?研究團隊的理論推導顯示，光致磁力矩，與光學強度成正比，并且隨曝光時間，線性累積。這意味著，即使在連續波（CW）條件下，磁場效應，也能在長時間曝光中，產生顯著影響。Assouline指出：“我們的結果表明，光，不僅通過電場與物質‘對話’，還通過磁場——這一成分，直到現在才被充分認識”。
? ?從數學角度看,研究證明了法拉第旋轉角的韋爾代常數(Verdetconstant)中包含源自光磁場的貢獻,且該貢獻在長波長范圍內尤為顯著。這解釋了為什么在紅外波段,磁場效應占據主導地位——波長越長,磁場分量的相對作用越強。

技術前景的重新定義
? ?這一發現對多個前沿領域具有直接應用價值。在自旋電子學中,利用光的磁場分量可實現更精確的自旋操控,這對開發基于自旋的量子計算技術至關重要。在光學數據存儲領域,磁場調控為實現更高密度、更快速的寫入提供了新途徑。
? ?值得注意的是,研究還發現即使線性偏振光也能在特定條件下通過磁場效應產生動態演化,盡管凈力矩為零。這為利用非圓偏振光進行磁性調控打開了可能性,拓寬了光磁控制的技術路徑。
? ?從產業角度來看，光通信，光學傳感器，磁光調制器等設備的設計原理或許需要重新進行審視。當磁場分量的貢獻達到17%到70%之時，若忽略這一因素，便可能致使性能預測出現偏差以及優化空間被遺漏。

科學認知的迭代邏輯
? ?這項研究提醒我們，即使是被認為“已然解決”的經典物理問題，仍或許隱藏著未曾被發覺的層面。法拉第效應已存在180年，眾多實驗驗證了其現象，不過對其機制的理解卻始終不夠完整。Capua團隊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自旋運動的LLG方程，而非傳統的光學理論框架。
? ?值得思考的是，為何兩個世紀以來，物理學家未能發現磁場分量的作用？一個原因是，實驗精度的限制——在可見光波段，17%的貢獻，可能淹沒在測量誤差中；另一個原因是，理論預設的慣性——當電場“足夠好”地解釋時，很少有人去質疑，是否存在其他機制。
? ?科學發展里，這樣的認知盲區有不少。從牛頓力學發展到相對論，從經典電磁學到量子力學，每次范式轉變，常常是因為重新審視那些“顯而易見”的前提。希伯來大學的這項研究又顯示，基礎科學的重大進步，通常來自對那些被忽略的細節深入研究。

從實驗室到應用的距離
? ?盡管理論上取得了突破，不過從科學發現到技術應用依舊需要跨越諸多障礙。首先，需要研發出能夠精準地測量并利用光磁場分量的實驗裝置；其次，需要去探尋在不同材料體系中磁場效應的具體呈現形式；最后，需要把這一機制融入到現有的技術框架當中。
? ?當前研究聚焦于TGG晶體這一特定材料，不過，光磁相互作用在其他磁性材料，以及半導體甚至生物組織中的行為，仍有待深入探索。波長依賴性的進一步研究亦極為關鍵——倘若磁場效應在紅外和太赫茲波段更為強烈，這樣，這些頻段的應用前景或許會超出預期。
? ?除此之外，研究還揭示了，自旋-軌道耦合可能為磁場貢獻，引入波長依賴性，這為調控光磁相互作用，提供了額外自由度。未來研究可能會發現，通過材料設計，和波長選擇，能夠“定制”光磁效應的強度和特性。
? ?你認為光的磁性分量還會在哪些領域產生意想不到的影響?歡迎在評論區分享你的見解。
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