Фа́радей эффектісі: жарық поляризациясының магнит өрісінде бұрылуы. Оптикалық материалдарда байқалады, жарық пен электромагнетизмнің байланысын дәлелдейді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикалық магниттік-оптикалық құбылыс
Physical magneto optical phenomenon
Фарадей эффектісі немесе Фарадей айналуы, кейде магниттік-оптикалық Фарадей эффектісі (MOFE) деп аталады, – физикалық магниттік-оптикалық құбылыс. Фарадей эффектісі жарық таралу бағыты бойынша магнит өрісінің проекциясына пропорционал поляризация айналуын тудырады. Формальды түрде, бұл диэлектрлік өтімділік тензоры диагональді болғанда алынатын гироэлектромагнетизмнің ерекше жағдайы. Бұл әсер магнит өрістерінің әсерінен оптикалық мөлдір диэлектрлік материалдарда (соның ішінде сұйықтықтарда) көрінеді. 1845 жылы Майкл Фарадей ашқан Фарадей эффектісі жарық пен электромагнетизмнің байланысты екенін көрсететін алғашқы эксперименталды дәлел болды. Электромагниттік сәулеленудің (көрінетін жарықты қоса) теориялық негізін 1860 жылдары Джеймс Клерк Максвелл аяқтады. Максвелл теңдеулерін 1870 жылдары Оливер Хевисайд қазіргі түрінде қайта жазды. Фарадей эффектісі сол және оң айналмалы поляризацияланған толқындардың сәл әртүрлі жылдамдықпен таралуынан туындайды, бұл қасиет айналмалы екіжақтылық деп аталады. Сызықтық поляризацияны қарама-қарсы айналу бағытындағы және әртүрлі фазалы екі тең амплитудалы айналмалы поляризацияланған компоненттердің суперпозициясына жіктеуге болатындықтан, Фарадей эффектісінің нәтижесінде туындайтын салыстырмалы фазалық ығысу толқынның сызықтық поляризациясының бағытын айналдырады. Фарадей эффектісі өлшеу құралдарында қолданылады. Мысалы, Фарадей эффектісі оптикалық айналу күшін өлшеу және магнит өрістерін қашықтан сезіну үшін (мысалы, талшықтық ток сенсорлары) пайдаланылған. Фарадей эффектісі спинтроника зерттеулерінде жартылай өткізгіштердегі электрон спиндерінің поляризациясын зерттеу үшін қолданылады. Фарадей ротаторларын жарықтың амплитудасын модуляциялау үшін қолдануға болады және олар оптикалық изоляторлар мен оптикалық циркуляторлардың негізін құрайды; мұндай компоненттер оптикалық телекоммуникацияларда және басқа лазерлік қолдануларда қажет.
The Faraday effect or Faraday rotation, sometimes referred to as the magneto optic Faraday effect (MOFE), is a physical magneto optical phenomenon. The Faraday effect causes a polarization rotation which is proportional to the projection of the magnetic field along the direction of the light propagation. Formally, it is a special case of gyroelectromagnetism obtained when the dielectric permittivity tensor is diagonal. This effect occurs in most optically transparent dielectric materials (including liquids) under the influence of magnetic fields. Discovered by Michael Faraday in 1845, the Faraday effect was the first experimental evidence that light and electromagnetism are related. The theoretical basis of electromagnetic radiation (which includes visible light) was completed by James Clerk Maxwell in the 1860s. Maxwell's equations were rewritten in their current form in the 1870s by Oliver Heaviside. The Faraday effect is caused by left and right circularly polarized waves propagating at slightly different speeds, a property known as circular birefringence. Since a linear polarization can be decomposed into the superposition of two equal amplitude circularly polarized components of opposite handedness and different phase, the effect of a relative phase shift, induced by the Faraday effect, is to rotate the orientation of a wave's linear polarization. The Faraday effect has applications in measuring instruments. For instance, the Faraday effect has been used to measure optical rotatory power and for remote sensing of magnetic fields (such as fiber optic current sensors). The Faraday effect is used in spintronics research to study the polarization of electron spins in semiconductors. Faraday rotators can be used for amplitude modulation of light, and are the basis of optical isolators and optical circulators; such components are required in optical telecommunications and other laser applications.
Тарих
1845 жылға қарай Аугустин Жан Френель, Этьен Луи Малус және басқалардың жұмыстары арқылы әртүрлі материалдардың жарықтың поляризациясының бағытын тиісті бағыттағанда өзгерте алатыны белгілі болды, бұл поляризацияланған жарықты мөлдір материалдардың қасиеттерін зерттеу үшін өте қуатты құралға айналдырды. Фарадей жарықтың электромагниттік құбылыс екеніне сенді, сондықтан оған электромагниттік күштер әсер етуі керек. Ол электр күштерінің жарықтың поляризациясына әсер ететіндігін іздеуге көп күш жұмсады, қазір электрооптикалық эффектілер деп аталатын осы эффекттерді электролиттерді ыдырату арқылы зерттеді. Алайда, оның эксперименталдық әдістері жеткілікті сезімтал болған жоқ, ал эффектті тек отыз жылдан кейін Джон Керр өлшеді. Содан кейін Фарадей магниттік күштердің жарық арқылы әртүрлі заттарға тигізетін әсерін іздеуге тырысты. Бірнеше сәтсіз әрекеттерден кейін ол бұрынғы шыны өндірісінде жасаған, кремний, бор қышқылы және қорғасын тотығынан тұратын "салмақты" шыныдан сынақ жасады. Фарадей поляризацияланған жарық сәулесі шыныдан магниттік күш бағытында өткенде, жарықтың поляризациясы күштің күшіне пропорционал бұрышпен бұрылатынын байқады. Ол поляризацияны өлшеу үшін Николь призмасын қолданды. Кейіннен ол осы эффектті басқа да қатты денелерде, сұйықтықтарда және газдарда күштірек электромагниттерді қолдану арқылы қайта жасай алды. 13 қыркүйекте 1845 жылы №7504 тармағында, "Салмақты шыны" тақырыбы бойынша ол 30 қыркүйекте 1845 жылы №7718 тармағында өз тәжірибелерінің қорытындысын былай деп жазды:
By 1845, it was known through the work of Augustin Jean Fresnel, Étienne Louis Malus, and others that different materials are able to modify the direction of polarization of light when appropriately oriented, making polarized light a very powerful tool to investigate the properties of transparent materials. Faraday firmly believed that light was an electromagnetic phenomenon, and as such should be affected by electromagnetic forces. He spent considerable effort looking for evidence of electric forces affecting the polarization of light through what are now known as electro optic effects, starting with decomposing electrolytes. However, his experimental methods were not sensitive enough, and the effect was only measured thirty years later by John Kerr. Faraday then attempted to look for the effects of magnetic forces on light passing through various substances. After several unsuccessful trials, he happened to test a piece of "heavy" glass, containing equal proportions of silica, boracic acid and lead oxide, that he had made during his earlier work on glass manufacturing. Faraday observed that when a beam of polarized light passed through the glass in the direction of an applied magnetic force, the polarization of light rotated by an angle that was proportional to the strength of the force. He used a Nicol prism to measure the polarization. He was later able to reproduce the effect in several other solids, liquids, and gases by procuring stronger electromagnets. On 13 Sept. 1845, in paragraph #7504, under the rubric Heavy Glass, he wrote:
He summarized the results of his experiments on 30 Sept. 1845, in paragraph #7718, famously writing:
Физикалық түсіндіру
Фарадей әсерінде айналатын сызықтық поляризацияланған жарықты оң және сол жақ шеңберлік поляризацияланған сәулелердің суперпозициясынан тұрады деп қарастыруға болады (бұл суперпозиция принципі физиканың көптеген салаларындағы негізгі принцип болып табылады). Әр компоненттің (оң немесе сол поляризацияланған) әсерін жеке қарастырып, оның нәтижеге қандай әсер ететінін көре аламыз. Шеңберлік поляризацияланған жарықта электр өрісінің бағыты жарықтың жиілігімен бірге сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы айналады. Материал ішінде бұл электр өрісі зарядталған бөлшектерге күш түсіреді (олардың заряд/масса қатынамы жоғары болғандықтан, электрондарға ең көп әсер етеді). Соның салдарынан қозғалыс шеңберлі болады, ал шеңберлі қозғалыстағы зарядтар сыртқы магнит өрісіне қосымша өздерінің (магниттік) өрісін тудырады. Осылайша екі жағдай пайда болады: бір (шеңберлік) поляризация үшін туындаған өріс сыртқы өріспен параллель болады, ал екінші поляризация бағыты үшін – қарама-қарсы бағытта. Осылайша, жалқы B өрісі бір бағытта күшейеді, ал қарсы бағытта әлсірейді. Бұл әр сәуле үшін өзара әрекеттесу динамикасын өзгертеді, және сәулелердің бірі екіншісіне қарағанда баяулайды, сол және оң поляризацияланған сәулелер арасында фазалық айырмашылыққа алып келеді. Бұл фазалық ығысқаннан кейін екі сәуле қосылғанда, нәтиже тағы да сызықтық поляризацияланған сәуле болады, бірақ поляризация векторының бұрылуымен. Поляризацияның бұрылу бағыты жарық сәулесі түсетін материалдың қасиеттеріне байланысты. Толық қарастыру үшін сыртқы және сәулелену тудырған өрістердің электрондардың толқындық функциясына тигізетін әсерін ескеру қажет, содан кейін осы өзгерістердің әр поляризация үшін материалдың сындыру көрсеткішіне тигізетін әсерін есептеу керек, оң немесе сол жақ шеңберлік поляризацияның қанша баяулайтынын анықтау үшін.
The linear polarized light that is seen to rotate in the Faraday effect can be seen as consisting of the superposition of a right and a left circularly polarized beam (this superposition principle is fundamental in many branches of physics). We can look at the effects of each component (right or left polarized) separately, and see what effect this has on the result. In circularly polarized light the direction of the electric field rotates at the frequency of the light, either clockwise or counter clockwise. In a material, this electric field causes a force on the charged particles that compose the material (because of their large charge to mass ratio, the electrons are most heavily affected). The motion thus effected will be circular, and circularly moving charges will create their own (magnetic) field in addition to the external magnetic field. There will thus be two different cases: the created field will be parallel to the external field for one (circular) polarization, and in the opposing direction for the other polarization direction – thus the net B field is enhanced in one direction and diminished in the opposite direction. This changes the dynamics of the interaction for each beam and one of the beams will be slowed more than the other, causing a phase difference between the left and right polarized beam. When the two beams are added after this phase shift, the result is again a linearly polarized beam, but with a rotation of the polarization vector. The direction of polarization rotation depends on the properties of the material through which the light is shone. A full treatment would have to take into account the effect of the external and radiation induced fields on the wave function of the electrons, and then calculate the effect of this change on the refractive index of the material for each polarization, to see whether the right or left circular polarization is slowed more.
Ионосфера
Жердің ионосферасынан өтетін радио толқындары да Фарадей эффектісіне ұшырайды. Ионосфера – еркін электрондардан тұратын плазма, бұл электрондар жоғарыда келтірілген теңдеуге сәйкес Фарадей айналымын тудырады, ал ауыр оң иондардың әсері шамалы. Жердің магнит өрісімен байланысты, радио толқындарының поляризациясы айналады. Ионосферадағы электрондардың тығыздығы күнделікті және күн дақтары циклы бойынша күрт өзгеретіндіктен, эффектінің күші де өзгереді. Дегенмен, эффект әрқашан толқын ұзындығының квадратына пропорционал, сондықтан тіпті 500 МГц (λ = 60 см) UHF теледидар жиілігінде де поляризация осінің толық айналымынан асып кетуі мүмкін. Осының салдарынан, көптеген радио хабар таратушы антенналар тік немесе көлденең поляризацияланғанымен, ионосферадан кері шағылысқан орта және қысқа толқын сигналының поляризациясын болжау қиын. Алайда, еркін электрондарға байланысты Фарадей эффектісі жоғары жиіліктерде (қысқа толқын ұзындығында) жылдам азаяды, сондықтан спутниктік байланыста қолданылатын микротолқынды жиіліктерде спутник пен жер арасындағы беріліс поляризациясы сақталады.
Radio waves passing through the Earth's ionosphere are likewise subject to the Faraday effect. The ionosphere consists of a plasma containing free electrons which contribute to Faraday rotation according to the above equation, whereas the positive ions are relatively massive and have little influence. In conjunction with the Earth's magnetic field, rotation of the polarization of radio waves thus occurs. Since the density of electrons in the ionosphere varies greatly on a daily basis, as well as over the sunspot cycle, the magnitude of the effect varies. However the effect is always proportional to the square of the wavelength, so even at the UHF television frequency of 500 MHz (λ = 60 cm), there can be more than a complete rotation of the axis of polarization. A consequence is that although most radio transmitting antennas are either vertically or horizontally polarized, the polarization of a medium or short wave signal after reflection by the ionosphere is rather unpredictable. However the Faraday effect due to free electrons diminishes rapidly at higher frequencies (shorter wavelengths) so that at microwave frequencies, used by satellite communications, the transmitted polarization is maintained between the satellite and the ground.
Жартылай өткізгіштер
Спиндік-орбиталық байланысқа байланысты, допталмаған GaAs монокристаллы шыныдан (SiO2) әлдеқайда жоғары Фарадей бұрылысын көрсетеді. Атомдық құрылымның (100) және (110) жазықтықтарында әртүрлі екенін ескерсек, Фарадей бұрылысы поляризацияға тәуелді болуы мүмкін деп ойлауға болады. Дегенмен, тәжірибелік зерттеулер 880–1600 нм толқын ұзындығы диапазонында өлшенбейтін анизотропияны көрсетті. Фарадейдің жоғары бұрылысына сүйене отырып, GaAs терагерцтік электромагниттік толқынның B өрісін калибрлеу үшін қолданылуы мүмкін, бұл өте жылдам жауап беру уақытын қажет етеді. Энергиялық шығысқа жақын, Фарадей эффекті резонанстық мінез-құлықты көрсетеді. Жалпы алғанда, (ферромагниттік) жартылай өткізгіштер жоғары жиіліктік аймақта электрогирация және Фарадей жауабын көрсетеді. Екі құбылыстың үйлесімі гироэлектромагниттік ортамен сипатталады. Органикалық материалдардың Верде тұрақтысы молекуладағы электрондық өтулер кезінде артады, бірақ байланысты жарық сіңіруі көптеген органикалық материалдарды қолдануға қолайсыз етеді. Алайда, сіңіруге байланыссыз үлкен Фарадей бұрылысы туралы органикалық сұйық кристалдардағы жекелеген хабарламалар да бар.
Due to spin orbit coupling, undoped GaAs single crystal exhibits much larger Faraday rotation than glass (SiO2). Considering the atomic arrangement is different along the (100) and (110) plane, one might think the Faraday rotation is polarization dependent. However, experimental work revealed an immeasurable anisotropy in the wavelength range from 880–1,600 nm. Based on the large Faraday rotation, one might be able to use GaAs to calibrate the B field of the terahertz electromagnetic wave which requires very fast response time. Around the band gap, the Faraday effect shows resonance behavior. More generally, (ferromagnetic) semiconductors return both electro gyration and a Faraday response in the high frequency domain. The combination of the two is described by gyroelectromagnetic media, While the Verdet constant of organic materials does increase around electronic transitions in the molecule, the associated light absorption makes most organic materials bad candidates for applications. There are however also isolated reports of large Faraday rotation in organic liquid crystals without associated absorption.
Плазмоникалық және магниттік материалдар
2009 жылы γ Fe2O3 Au ядролық қабықшалы наноқұрылымдар магниттік (γ Fe2O3) және плазмоникалық (Au) қасиеттерді бір композитте біріктіру мақсатымен синтезделді. Плазмоникалық материалдарсыз және олармен Фарадей айналымы сыналып, 530 нм жарық сәулеленуі кезінде айналымның күшеюі байқалды. Зерттеушілер магнитооптикалық күшейту мөлшері негізінен магнитооптикалық өту және плазмондық резонанстың спектральдік үйлесуімен анықталады деп мәлімдейді. Бұл магниттік/плазмоникалық наноқұрылымдық композитті резонанстық оптикалық қуысқа енген магниттік бөлшек ретінде қарастыруға болады. Қуыстағы фотондық күйлердің жоғары тығыздығының арқасында жарықтың электромагниттік өрісі мен магниттік материалдың электрондық өтулері арасындағы өзара әрекеттесу күшейеді, нәтижесінде оң және сол спиральді поляризация жылдамдықтары арасындағы айырмашылық артады, соның салдарынан Фарадей айналымы күшейеді.
In 2009 γ Fe2O3 Au core shell nanostructures were synthesized to integrate magnetic (γ Fe2O3) and plasmonic (Au) properties into one composite. Faraday rotation with and without the plasmonic materials was tested and rotation enhancement under 530 nm light irradiation was observed. Researchers claim that the magnitude of the magneto optical enhancement is governed primarily by the spectral overlap of the magneto optical transition and the plasmon resonance. The reported composite magnetic/plasmonic nanostructure can be visualized to be a magnetic particle embedded in a resonant optical cavity. Because of the large density of photon states in the cavity, the interaction between the electromagnetic field of the light and the electronic transitions of the magnetic material is enhanced, resulting in a larger difference between the velocities of the right and left hand circularized polarization, therefore enhancing Faraday rotation.