Los físicos de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) han podido demostrar por primera vez un efecto fundamental predicho desde hace mucho tiempo, pero aún no confirmado. En la anisotropía quiral de Faraday, las características de propagación de las ondas luminosas se modifican simultáneamente por las propiedades materiales naturales e inducidas por el campo magnético del medio a través del cual viaja la luz. Los investigadores obtuvieron pruebas de que este es el caso mediante la realización de experimentos con hélices de níquel a escala nanométrica. Sus hallazgos ahora se han publicado en la revista académica. Cartas de revisión física .

La luz se transmite como ondas sinusoidales que consisten en campos eléctricos y magnéticos cruzados e interactúa con la materia. Esta interacción puede verse influenciada, en particular, por campos magnéticos externos. Uno de los ejemplos más conocidos de esta actividad magnetoóptica es el efecto Faraday:si la luz se dirige a través de un medio magnético, como un cristal, el plano de polarización de las ondas de luz se inclina en cierto ángulo. Este fenómeno se debe exclusivamente al campo magnético y se vuelve más pronunciado si la luz atraviesa el medio nuevamente en la dirección opuesta. El efecto de rotación solo se puede neutralizar si también se cambia la dirección del campo magnético.

El efecto contrario se observa en la actividad óptica natural de los medios quirales sin campo magnético, en el que la rotación del plano de polarización se cancela cuando la luz atraviesa el medio una vez más en la dirección opuesta. Quiral significa que las moléculas o figuras tienen una imagen especular que no se puede superponer simplemente por rotación. Algunos ejemplos son las manos derecha e izquierda de un ser humano o las conchas de caracol con espirales que corren en direcciones opuestas. Las moléculas de azúcar también son quirales. La forma en que interactúan con la luz se puede utilizar, por ejemplo, para determinar la concentración de azúcar en las uvas.

Siguiendo los pasos de Louis Pasteur

Los científicos han estado al tanto de ambos fenómenos, la actividad óptica natural y magnética, durante más de 150 años, y casi al mismo tiempo, los científicos han estado seguros de que debe existir una combinación de los dos. "Incluso Louis Pasteur, el famoso científico francés, intentó probar una correlación utilizando varios experimentos diferentes, "explica Vojislav Krsti, Catedrático de Física Aplicada en FAU. "Por supuesto, Pasteur no tenía los instrumentos sensibles para medir la frecuencia que tenemos hoy. Pero incluso usando esta tecnología, la prueba sigue siendo esquiva, en gran parte debido al hecho de que nadie ha diseñado una configuración de experimento adecuada ".

Una colaboración internacional liderada por Vojislav Krsti ahora ha tenido éxito donde Pasteur y muchos otros investigadores han fracasado. Se han convertido en los primeros en confirmar la "anisotropía quiral de Faraday" en un experimento, proporcionando una de las últimas piezas que faltan en la teoría magnetoóptica fundamental. Su éxito se debió a una configuración de experimento única basada en hélices de níquel. Los investigadores produjeron espirales en espiral en sentido horario y antihorario, similar en forma a la pasta fusilli italiana, a escala nanométrica vaporizando níquel y volviendo a juntar los átomos en un disco giratorio. "La rotación del disco significa que las nanoestructuras toman forma de tornillo en lugar de formar pilares como suele ser el caso, "explica Krsti.

Un 'bosque' de hélices como medio quiral

Para el experimento en sí, un "bosque" de hélices magnéticas de níquel se instaló sobre una capa de plata. En una parte del experimento, solo se utilizaron espirales en sentido antihorario, y en el segundo solo en el sentido de las agujas del reloj. Las hélices actuaron como un medio quiral, y la capa de plata reflejaba el rayo de luz que se le dirigía. "El hecho de que reflejáramos la luz en lugar de simplemente dirigirla a través del medio fue un factor decisivo, "dice Vojislav Krsti.

La idea detrás del experimento era que si la luz atraviesa las hélices tanto en el viaje de ida como en el de regreso, y si la dirección del campo magnético se cambia con un gran grado de precisión, entonces, en teoría, los dos efectos fundamentales deberían anularse entre sí, no importa si las hélices son en sentido horario o antihorario. Si ambos fenómenos se influyen mutuamente, sin embargo, entonces debe quedar una señal neta que se comporta de manera opuesta para hélices en sentido horario y antihorario. Krsti señala:"De hecho, medimos una señal neta como esta, probando así la correlación del efecto quiral y magnético. Fue uno de esos '¡Eureka!' momentos con los que sueña todo investigador ".

Investigación astronómica en el laboratorio e impulsos para la electrónica cuántica

Con su investigación, Los investigadores dirigidos por Vojislav Krsti no solo han logrado proporcionar una prueba experimental de una teoría magnetoóptica que se ha predicho durante mucho tiempo. Su enfoque también significa que los investigadores podrán investigar ciertos fenómenos astrofísicos en la Tierra. Se piensa, por ejemplo, que la anisotropía quiral de Faraday tiene lugar en nubes de gas magnetizadas en las que ciertas astropartículas modifican el espectro de luz irradiado por los medios galácticos e intergalácticos. Los hallazgos también podrían dar nuevos impulsos para un mayor estudio de las tecnologías cuánticas para interruptores electrónicos. ya que el proceso optomagnético descrito también se encuentra de forma análoga durante la excitación electrónica en cuerpos sólidos.