En 1845, Michael Faraday demostró que la luz y el magnetismo están relacionados. Hizo pasar un haz de luz a través de un vidrio dentro de un campo magnético y descubrió que su polarización —la dirección en la que se propagan sus ondas— giraba. Los resultados de este elegante experimento se conocen hasta el día de hoy como el efecto Faraday. Durante casi dos siglos, los científicos creyeron comprenderlo completamente: solo importaba la parte eléctrica de la luz.
No es del todo así, afirman físicos de la Universidad Hebrea de Jerusalén. Según su nuevo estudio, el componente magnético de la luz —considerado durante mucho tiempo insignificante— contribuye directamente al efecto Faraday. “La luz no sólo ilumina la materia, sino que también la influye magnéticamente”, declaró el Dr. Amir Capua, quien codirigió la investigación junto con Benjamin Assouline.
Los físicos utilizaron modelos teóricos para demostrar que el campo magnético oscilante de la luz puede torcer los espines de los electrones dentro de los materiales, produciendo un cambio medible en la forma en que la propia luz gira al pasar a través de ellos.
Una mitad olvidada de la luz
La luz es una onda electromagnética. Se puede concebir como una combinación de campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Los físicos se han centrado durante mucho tiempo en la parte eléctrica, que hace vibrar las partículas cargadas y produce la mayoría de los efectos ópticos más conocidos. La parte magnética parecía no tener importancia en el efecto Faraday.
“Existe una segunda parte de la luz que ahora entendemos que interactúa con los materiales”, declaró Capua a New Scientist. Añadió que los investigadores pasaron esto por alto porque las fuerzas magnéticas en la mayoría de los materiales son más débiles que las eléctricas, y porque los espines —las fuentes cuánticas del magnetismo— a menudo se desincronizan con las oscilaciones de la luz.
Pero cuando la luz está polarizada circularmente, de modo que sus ondas giran como un sacacorchos, el componente magnético puede alinearse con mayor eficacia con esos espines. Mediante la ecuación de Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG), que describe el comportamiento de los espines en un campo magnético, Capua y Assouline demostraron que este campo magnético óptico produce su propio par magnético: una fuerza de torsión dentro del material.
Cuando ejecutaron su modelo utilizando un cristal llamado granate de terbio y galio (TGG), descubrieron que el campo magnético de la luz representa aproximadamente el 17% del efecto Faraday en longitudes de onda visibles, y hasta el 70% en el rango infrarrojo.
“Nuestros resultados demuestran que la luz ‘habla’ con la materia no solo a través de su campo eléctrico, sino también a través de su campo magnético”, dijo Assouline.
Revolucionando la magnetoóptica
Este descubrimiento modifica la comprensión científica de la constante de Verdet, un valor que describe la intensidad con la que un material rota la polarización de la luz bajo la acción de un campo magnético. Tradicionalmente, la constante de Verdet se ha vinculado a la interacción del componente eléctrico de la luz con cargas en movimiento. Sin embargo, el equipo de Capua demostró que la ecuación LLG puede predecir parte de dicha constante utilizando únicamente el componente magnético.
Su análisis también reveló algo más sutil: el efecto Faraday y su contraparte temporal inversa, el efecto Faraday inverso, no son imágenes especulares perfectas. En la versión inversa, pulsos de luz intensos pueden magnetizar materiales sin ningún campo magnético externo; esencialmente, invierten los espines sólo con luz. Según el equipo, los dos efectos no son exactamente recíprocos en escalas de tiempo ultrarrápidas, porque dependen de diferentes tipos de dinámica de espín. Esa ruptura de la reciprocidad podría ayudar a explicar algunos enigmas del magnetismo ultrarrápido, un campo que utiliza pulsos láser de femtosegundos para controlar los espines en la computación y el almacenamiento de datos de próxima generación.
“Lo que observamos es que incluso cuando la luz interactúa con la materia en ráfagas increíblemente breves, su componente magnético aún puede desempeñar un papel sorprendentemente importante”, dijo Capua.
La capacidad de la luz para influir magnéticamente en la materia podría abrir nuevos caminos en la espintrónica, el almacenamiento óptico de datos e incluso la computación cuántica, donde el control de los estados de espín es clave.
Para Capua, la emoción reside en reescribir un capítulo de la física que parecía cerrado. “El campo magnético estático “retuerce” la luz, y la luz, a su vez, revela las propiedades magnéticas del material”, afirmó en el comunicado de prensa de la Universidad Hebrea. “Lo que hemos descubierto es que la componente magnética de la luz tiene un efecto de primer orden; es sorprendentemente activa en este proceso”.
Todavía queda mucho trabajo por hacer
Por ahora, el trabajo de Capua y Assouline sigue siendo un avance teórico. Pero la teoría por sí sola no es prueba. Nadie ha observado aún esta influencia magnética directamente en un laboratorio. El próximo reto, según Capua, es diseñar experimentos con la precisión suficiente para aislar la señal del par magnético de la luz del par eléctrico dominante. De confirmarse, obligaría a actualizar los libros de texto sobre una ley de la óptica que se ha mantenido indiscutible desde la década de 1840. Ciento ochenta años después de que Faraday vislumbrara el vínculo entre la luz y el magnetismo, los científicos han encontrado la mitad que faltaba de esa relación, y ha estado oculta, oscilando, a plena vista.
Los resultados aparecieron en la revista Scientific Reports.
Fuente: ZME Science.
