빛은 거의 200년 동안 자기 비밀을 숨겨 왔습니다.

네이처(Nature)지에 게재된 연구팀의 연구 결과 과학 보고서전기적 부분뿐만 아니라 빛의 자기 부분이 빛이 재료와 상호 작용하는 방식에 의미 있고 측정 가능한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이 결과는 19세기 이후 패러데이 효과에 대한 이해를 형성해 온 과학적 설명과 모순됩니다.

대학 전기 공학 및 응용 물리학 연구소의 Amir Capua 박사와 Benjamin Assouline이 주도한 이 연구는 진동하는 빛의 자기장이 패러데이 효과에 직접적으로 기여한다는 최초의 이론적 증거를 제공합니다. 이 효과는 빛이 일정한 자기장에 있는 물질을 통과할 때 빛의 편광이 어떻게 회전하는지를 설명합니다.

빛과 자기가 상호 작용하는 방법

“간단히 말해서 이는 빛과 자기 사이의 상호작용입니다.”라고 Capua 박사는 말합니다. “정자기장은 빛을 ‘비틀고’ 빛은 물질의 자기 특성을 드러냅니다. 우리가 발견한 것은 빛의 자기 부분이 1차 효과를 가지며 이 과정에서 놀랍게도 활성화된다는 것입니다.”

거의 2세기 동안 과학자들은 패러데이 효과를 물질의 전하와 상호 작용하는 빛의 전기장에만 기인한다고 생각했습니다. 새로운 연구는 빛의 자기장이 원자 스핀과 상호작용함으로써 직접적인 역할을 한다는 것을 보여주었는데, 오랫동안 그 기여는 미미하다고 여겨졌습니다.

자기 기여도 계산

연구자들은 자성 물질에서 스핀이 어떻게 작용하는지 설명하는 Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG) 방정식에 기반한 고급 계산을 사용하여 빛의 자기장이 정자기장과 유사한 방식으로 물질 내에서 자기 토크를 생성할 수 있음을 입증했습니다. Capua는 “즉, 빛은 물질을 조명할 뿐만 아니라 자기적으로 영향을 미친다”고 설명합니다.

그 영향의 정도를 측정하기 위해 팀은 패러데이 효과를 연구하는 데 일반적으로 사용되는 결정인 TGG(테르븀 갈륨 가넷)에 이론 모델을 적용했습니다. 그들의 분석에 따르면 빛의 자기 성분은 가시 스펙트럼에서 관찰된 회전의 약 17%, 적외선에서는 최대 70%를 담당한다는 것이 밝혀졌습니다.

미래 기술을 위한 새로운 경로

“우리의 결과는 빛이 전기장뿐만 아니라 지금까지 간과되었던 구성 요소인 자기장을 통해서도 문제에 대해 ‘대화’한다는 것을 보여줍니다.”라고 Benjamin Assouline은 말합니다.

연구원들은 빛의 자기적 행동에 대한 이러한 수정된 이해가 빛을 이용한 광학 데이터 저장, 스핀트로닉스 및 자기 제어 분야의 혁신을 위한 문을 열 수 있다고 지적했습니다. 이 작업은 스핀 기반 양자 컴퓨팅의 향후 개발에도 기여할 수 있습니다.