Natuurkundigen van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) hebben voor het eerst een lang voorspeld maar nog niet bevestigd fundamenteel effect kunnen aantonen. In Faraday chirale anisotropie, de voortplantingskenmerken van lichtgolven worden gelijktijdig veranderd door de natuurlijke en magnetische veld-geïnduceerde materiaaleigenschappen van het medium waardoor het licht reist. De onderzoekers hebben bewijs verkregen dat dit het geval is door experimenten uit te voeren met nikkelhelices op nanometerschaal. Hun bevindingen zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Licht wordt doorgelaten als sinusgolven die bestaan ​​uit gekruiste elektrische en magnetische velden en interageert met materie. Deze interactie kan worden beïnvloed, vooral, door externe magnetische velden. Een van de bekendste voorbeelden van deze magneto-optische activiteit is het Faraday-effect:als licht door een magnetisch medium wordt gestuurd, zoals een kristal, het polarisatievlak van de lichtgolven helt onder een bepaalde hoek. Dit fenomeen wordt puur veroorzaakt door het magnetische veld en wordt meer uitgesproken als het licht weer in de tegenovergestelde richting door het medium gaat. Het rotatie-effect kan alleen worden geneutraliseerd als ook de richting van het magnetische veld wordt veranderd.

Het tegenovergestelde effect wordt gezien in de natuurlijke optische activiteit van chirale media zonder magnetisch veld, waarbij de rotatie van het polarisatievlak wordt opgeheven wanneer het licht weer in de tegenovergestelde richting door het medium gaat. Chiraal betekent dat moleculen of figuren een spiegelbeeld hebben dat er niet eenvoudig op kan worden gelegd door middel van rotatie. Voorbeelden zijn de linker- en rechterhand van een mens of slakkenhuizen met spiralen die in tegengestelde richting lopen. Suikermoleculen zijn ook chiraal. De manier waarop ze omgaan met licht kan worden gebruikt, bijvoorbeeld, om de suikerconcentratie in druiven te bepalen.

In de voetsporen van Louis Pasteur

Wetenschappers zijn zich al meer dan 150 jaar bewust van beide fenomenen - natuurlijke en magnetische optische activiteit. en bijna tegelijkertijd, wetenschappers zijn er zeker van dat er een combinatie van beide moet bestaan. "Zelfs Louis Pasteur, de beroemde Franse wetenschapper, probeerde een correlatie te bewijzen met behulp van verschillende experimenten, " legt Vojislav Krsti uit, Hoogleraar Toegepaste Natuurkunde aan de FAU. "Natuurlijk, Pasteur had niet de gevoelige instrumenten voor het meten van frequentie die we nu hebben. Maar zelfs met deze technologie, bewijs is nog steeds ongrijpbaar, grotendeels te wijten aan het feit dat niemand een geschikte experimentopstelling heeft ontworpen."

Een internationale samenwerking onder leiding van Vojislav Krsti is nu geslaagd waar Pasteur en vele andere onderzoekers hebben gefaald. Ze zijn de eersten die 'chirale anisotropie van Faraday' in een experiment hebben bevestigd, het verstrekken van een van de laatste ontbrekende stukken in de fundamentele magneto-optische theorie. Hun succes was te danken aan een unieke experimentopstelling op basis van nikkelhelices. De onderzoekers produceerden spiralen die met de klok mee en tegen de klok in spiralen, vergelijkbaar in vorm met Italiaanse fusilli pasta, op nanometerschaal door nikkel te verdampen en atomen weer bij elkaar te brengen op een draaiende schijf. "De rotatie van de schijf betekent dat de nanostructuren een schroefvorm aannemen in plaats van zich te vormen tot pilaren zoals gewoonlijk het geval is, " legt Kristi uit.

Een 'bos' van helices als chiraal medium

Voor het experiment zelf een "bos" van magnetische nikkelhelices werd opgezet op een laag zilver. In een deel van het experiment, alleen tegen de klok in spiralen werden gebruikt, en in de tweede alleen met de klok mee. De helices fungeerden als een chiraal medium, en de laag zilver weerkaatste de lichtstraal die erop gericht was. "Het feit dat we het licht reflecteerden in plaats van het simpelweg door het medium te sturen, was een beslissende factor, ", zegt Vojislav Krsti.

Het idee achter het experiment was dat als het licht zowel op de heen- als de terugreis door de helices gaat, en als de richting van het magnetische veld met een grote mate van precisie wordt veranderd, dan zouden in theorie de twee fundamentele effecten elkaar moeten opheffen, het maakt niet uit of de helices met de klok mee of tegen de klok in zijn. Als beide verschijnselen elkaar beïnvloeden, echter, dan moet er een netsignaal overblijven dat zich omgekeerd gedraagt ​​voor helices met de klok mee en tegen de klok in. Kristi merkt op, "We hebben inderdaad zo'n netsignaal gemeten, daarmee bewijzend de correlatie van het chirale en magnetische effect. Het was een van die 'Eureka!' momenten waar elke onderzoeker van droomt."

Astroonderzoek in het laboratorium en impulsen voor kwantumelektronica

Met hun onderzoek de onderzoekers onder leiding van Vojislav Krsti zijn er niet alleen in geslaagd om experimenteel bewijs te leveren van een al lang voorspelde magneto-optica-theorie. Hun aanpak betekent ook dat onderzoekers bepaalde astrofysische fenomenen op aarde kunnen onderzoeken. Men denkt, bijvoorbeeld, dat Faraday chirale anisotropie plaatsvindt in gemagnetiseerde gaswolken waarin bepaalde astrodeeltjes het lichtspectrum wijzigen dat wordt uitgestraald door galactische en intergalactische media. De bevindingen kunnen ook nieuwe impulsen geven voor verdere studie van kwantumtechnologieën voor elektronische schakelaars, zoals het beschreven optomagnetische proces ook analoog wordt gevonden tijdens elektronische excitatie in vaste lichamen.