I fisici della Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sono stati in grado per la prima volta di dimostrare un effetto fondamentale a lungo previsto ma non ancora confermato. Nell'anisotropia chirale di Faraday, le caratteristiche di propagazione delle onde luminose vengono modificate simultaneamente dalle proprietà materiali naturali e indotte dal campo magnetico del mezzo attraverso il quale viaggia la luce. I ricercatori hanno ottenuto la prova che questo è il caso conducendo esperimenti utilizzando eliche di nichel su scala nanometrica. I loro risultati sono stati ora pubblicati sulla rivista accademica Lettere di revisione fisica .

La luce viene trasmessa come onde sinusoidali costituite da campi elettrici e magnetici incrociati e interagisce con la materia. Questa interazione può essere influenzata, in particolare, da campi magnetici esterni. Uno degli esempi più noti di questa attività magneto-ottica è l'effetto Faraday:se la luce è diretta attraverso un mezzo magnetico, come un cristallo, il piano di polarizzazione delle onde luminose si inclina di un certo angolo. Questo fenomeno è causato esclusivamente dal campo magnetico e diventa più pronunciato se la luce attraversa di nuovo il mezzo nella direzione opposta. L'effetto di rotazione può essere neutralizzato solo se viene modificata anche la direzione del campo magnetico.

L'effetto opposto è visto nell'attività ottica naturale dei mezzi chirali senza un campo magnetico, in cui la rotazione del piano di polarizzazione viene annullata quando la luce attraversa nuovamente il mezzo in direzione opposta. Chirale significa che le molecole o le figure hanno un'immagine speculare che non può essere sovrapposta ad essa semplicemente mediante rotazione. Esempi sono le mani sinistra e destra di un essere umano o gusci di lumaca con spirali che corrono in direzioni opposte. Anche le molecole di zucchero sono chirali. Il modo in cui interagiscono con la luce può essere utilizzato, Per esempio, per determinare la concentrazione di zucchero nell'uva.

Sulle orme di Louis Pasteur

Gli scienziati sono a conoscenza di entrambi i fenomeni, attività ottica naturale e magnetica, da oltre 150 anni, e per quasi lo stesso tempo, gli scienziati sono stati sicuri che deve esistere una combinazione dei due. "Anche Louis Pasteur, il famoso scienziato francese, cercato di dimostrare una correlazione utilizzando vari esperimenti diversi, " spiega Vojislav Krsti, Professore di Fisica Applicata alla FAU. "Certo, Pasteur non aveva gli strumenti sensibili per misurare la frequenza che abbiamo oggi. Ma anche usando questa tecnologia, la prova è rimasta ancora sfuggente, in gran parte dovuto al fatto che nessuno ha progettato una configurazione di esperimento adatta."

Una collaborazione internazionale guidata da Vojislav Krsti è ora riuscita dove Pasteur e molti altri ricercatori hanno fallito. Sono diventati i primi a confermare l'"anisotropia chirale di Faraday" in un esperimento, fornendo uno degli ultimi tasselli mancanti nella teoria magneto-ottica fondamentale. Il loro successo era dovuto a una configurazione sperimentale unica basata su eliche di nichel. I ricercatori hanno prodotto spirali a spirale in senso orario e antiorario, simile nella forma ai fusilli italiani, su scala nanometrica vaporizzando il nichel e riunendo gli atomi su un disco rotante. "La rotazione del disco fa sì che le nanostrutture assumano una forma a vite invece di formare dei pilastri come avviene di solito, " spiega Kristi.

Una 'foresta' di eliche come mezzo chirale

Per l'esperimento stesso, una "foresta" di eliche magnetiche di nichel è stata allestita su uno strato di argento. In una parte dell'esperimento, sono state utilizzate solo spirali in senso antiorario, e nella seconda solo in senso orario. Le eliche hanno agito come mezzo chirale, e lo strato d'argento rifletteva il raggio di luce diretto su di esso. "Il fatto che abbiamo riflesso la luce invece di dirigerla semplicemente attraverso il mezzo è stato un fattore decisivo, " dice Vojislav Kristi.

L'idea alla base dell'esperimento era che se la luce passa attraverso le eliche sia all'andata che al ritorno, e se la direzione del campo magnetico viene cambiata con un grande grado di precisione, allora in teoria i due effetti fondamentali dovrebbero annullarsi a vicenda, non importa se le eliche sono in senso orario o antiorario. Se entrambi i fenomeni si influenzano a vicenda, però, quindi dovrebbe essere lasciato un segnale netto che si comporti in modo opposto per le eliche in senso orario e antiorario. Krsti nota, "Abbiamo effettivamente misurato un segnale netto proprio come questo, dimostrando così la correlazione dell'effetto chirale e magnetico. Era uno di quei "Eureka!" momenti che ogni ricercatore sogna."

Astro ricerca in laboratorio e impulsi per l'elettronica quantistica

Con le loro ricerche, i ricercatori guidati da Vojislav Krsti non solo sono riusciti a fornire prove sperimentali di una teoria magneto-ottica che era stata a lungo prevista. Il loro approccio significa anche che i ricercatori saranno in grado di ricercare alcuni fenomeni astrofisici sulla Terra. si pensa, Per esempio, che l'anisotropia chirale di Faraday ha luogo in nubi di gas magnetizzate in cui alcune astroparticelle modificano lo spettro luminoso irradiato dai mezzi galattici e intergalattici. I risultati potrebbero anche dare nuovi impulsi per ulteriori studi sulle tecnologie quantistiche per gli interruttori elettronici, poiché il processo optomagnetico descritto si riscontra analogamente anche durante l'eccitazione elettronica nei corpi solidi.