تأثير فارادايتأثير

في عام 1845، أراد مايكل فاراداي، المقتنع بوحدة الظواهر الكهربائية والمغناطيسية، أن يختبر صلتها بالضوء. فوضع عيّنة من زجاج الرصاص بين قطبي مغناطيس كهربائي قوي ووجّه خلالها شعاعاً مستقطباً. ولدهشته، وجد أن مستوى الاستقطاب قد دار! وكان ذلك أول دليل مباشر على الطبيعة الكهرطيسية للضوء – قبل عقدين من استنباط ماكسويل لمعادلاته الشهيرة. الآلية الفيزيائية للتأثير هي الانكسار المزدوج الدائري: يجعل المجال المغناطيسي المادة مختلفة بالنسبة للضوء ذي الدوران الأيمن والأيسر لمتّجه الكهرباء: تختلف قرائن الانكسار للاستقطابين الدائريين. ونتيجةً لذلك تتأخر إحدى المركّبتين عن الأخرى، وبعد عبور الوسط يظهر مجموعهما – الاستقطاب الخطّي – وقد دار. زاوية الدوران θ = V B L، حيث V ثابت فيرديه (ثابت مادّي)، B تحريض المجال المغناطيسي، L طول المسار.

الضوء موجة كهرطيسية، ويمكن لمستوى اهتزازها أن يُدار بحقل مغناطيسي. تخيّل أن الشعاع يتألّف من حركتين لولبيّتين: إحداهما ملتوية يميناً والأخرى يساراً. وفي الوسط العادي تسير هاتان الحركتان بالسرعة نفسها. لكنّ المجال المغناطيسي يخل بهذا التناظر: يسبق اللولب الأيمن الأيسر (أو العكس). وعندما تجتمع الموجتان من جديد، يظهر استقطابهما الكلّي وقد دار – كما لو أنّ عقربَيْن يدوران دون تزامن فيُظهر مجموعهما اتجاهاً جديداً. وكلّما اشتدّ المجال وطال الطريق في المادة، كبرت زاوية الدوران.

تأثير فاراداي – دوران مغناطيسي بصري لمستوى استقطاب ضوء مستقطب خطّياً عند عبوره وسطاً بمحاذاة مجال مغناطيسي مطبَّق. زاوية الدوران θ = V B L، حيث V ثابت فيرديه (يتعلّق بالمادة وطول الموجة)، B التحريض المغناطيسي، L طول المسار. السبب الفيزيائي هو الانكسار المزدوج الدائري: في المجال المغناطيسي يصبح معاملا الانكسار للاستقطابين الدائريين الأيمن والأيسر مختلفين، ممّا يؤدّي إلى تراكم فرق في الطور ودوران الاستقطاب الخطّي المحصّل. وفي الوصف الكلاسيكي يتناسب V مع λ (dn/dλ)، أي تبعثر معامل الانكسار. ومن وجهة النظر الكمومية ينشأ التأثير من انشقاق مستويات الطاقة بتأثير زيمان، الذي يزيح الانتقالات بشكل مختلف للاستقطابين الدائريين.