Theo đó, không chỉ thành phần điện trường mà chính từ trường của sóng ánh sáng cũng tương tác trực tiếp và đáng kể với vật liệu, buộc giới vật lý phải xem xét lại cách hiểu về một hiện tượng nền tảng: hiệu ứng Faraday.
Hiệu ứng Faraday, được nhà bác học Michael Faraday mô tả lần đầu vào năm 1845, là một trong những bằng chứng sớm nhất về mối liên hệ giữa ánh sáng và từ tính.
Hiện tượng này mô tả việc mặt phẳng phân cực của một chùm ánh sáng bị xoay khi truyền qua vật liệu trong suốt chịu tác động của từ trường.
Trong gần hai thế kỷ, các nhà khoa học tin rằng sự xoay phân cực này chỉ là hệ quả của tương tác giữa điện trường dao động của ánh sáng với từ tính của vật liệu và từ trường ngoài, trong khi thành phần từ trường của chính ánh sáng bị bỏ qua hoặc xem là không đáng kể.
Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Hebrew ở Jerusalem, Israel, đã chứng minh điều ngược lại.
Năm ngoái, họ thực hiện thí nghiệm cho thấy trong trường hợp ngược của hiệu ứng Faraday, sự phân cực của ánh sáng có thể tạo ra mômen từ trong vật liệu, gợi ý một mối quan hệ phức tạp hơn.
Tiếp nối thành công này, nhóm đã kết hợp dữ liệu thực nghiệm với các phép tính dựa trên phương trình Landau–Lifshitz–Gilbert để xác định vai trò của từ trường ánh sáng.
Sử dụng Terbium Gallium Garnet, một loại tinh thể có khả năng từ hóa mạnh, làm mô hình vật lý, kết quả nghiên cứu cho thấy từ trường dao động của ánh sáng đóng góp khoảng 17% vào hiệu ứng Faraday trong vùng ánh sáng nhìn thấy và lên tới 70% trong vùng hồng ngoại.
Hình minh họa thể hiện hiệu ứng Faraday (ảnh: Wikimedia Commons/DrBob/CC-BY-SA 3.0).
Những con số này hoàn toàn trái ngược với giả định trước đây, khẳng định hiệu ứng Faraday không chỉ chịu tác động của điện trường ánh sáng mà còn bị chi phối trực tiếp bởi từ trường của chính sóng điện từ.
Nhà vật lý học Amir Capua giải thích: “Ánh sáng không chỉ chiếu sáng vật chất, mà còn tác động lên vật chất bằng từ tính. Từ trường tĩnh làm xoắn ánh sáng, và ánh sáng, đến lượt nó, bộc lộ các tính chất từ tính của vật liệu".
Ông nhấn mạnh rằng thành phần từ tính của ánh sáng có tác động bậc một, đóng vai trò chủ động và không thể bỏ qua.
Cơ chế tương tác mới này không diễn ra thông qua điện tích của electron, mà thông qua spin – một dạng mômen động lượng góc nội tại của hạt. Từ trường của ánh sáng có thể tương tác trực tiếp với spin của electron, vốn được hình dung như một điện tích nhỏ đang tự quay.
Cơ chế này tạo nên một bức tranh cân đối trong vật lý tương tác ánh sáng – vật chất: điện trường tác dụng lực tuyến tính lên điện tích, trong khi từ trường phân cực tròn tạo ra mômen xoắn lên spin của electron.
Phát hiện này mở ra những tiềm năng to lớn trong việc kiểm soát ánh sáng và vật chất với độ chính xác cao hơn, hứa hẹn mang lại tiến bộ đáng kể trong cảm biến, lưu trữ dữ liệu và điện toán, đặc biệt là trong lĩnh vực máy tính lượng tử và điện tử spin (spintronics).
Kỹ sư điện Benjamin Assouline nhận định: “Khám phá này cho thấy con người có thể kiểm soát thông tin từ tính trực tiếp bằng ánh sáng".
Công trình nghiên cứu này là một lời nhắc nhở mạnh mẽ về bản chất không ngừng phát triển của khoa học, khẳng định rằng ngay cả những hiện tượng tưởng chừng đã được hiểu cặn kẽ suốt hàng trăm năm vẫn có thể ẩn chứa những lớp bản chất chưa từng được khám phá.
