Uma crença de 180 anos sobre a luz foi agora provada errada.

Uma revisão do Efeito de Faraday: a onda eletromagnética e o seu próprio magnetismo

Cientistas identificaram recentemente uma interação entre uma onda eletromagnética e a sua própria componente magnética enquanto atravessa um material, corrigindo uma suposição com cerca de 180 anos que considerava apenas a interação da luz com o seu campo elétrico.

Este fenómeno - o Efeito de Faraday (EF) - foi descrito pela primeira vez em 1845 por Michael Faraday e constituiu uma das evidências mais precoces de que o magnetismo pode interagir com ondas de luz.

De forma geral, o EF explica o que acontece quando um feixe de luz atravessa um material transparente que, simultaneamente, é submetido a um campo magnético: a orientação da polarização desse feixe é alterada.

Para simplificar, a luz pode estar não polarizada ou polarizada. Quando não está polarizada, as oscilações eletromagnéticas ocorrem em várias direções (perpendiculares ao plano de propagação).

Já quando a luz está polarizada, essas oscilações ficam organizadas numa única direção - como quando se tira da gaveta uma camisola felpuda e amarrotada e se alisam as fibras.

O que se acreditava (e o que os dados agora indicam)

Durante muito tempo, assumiu-se que o impacto do EF na polarização da luz era exclusivamente consequência da componente elétrica da ondulação eletromagnética a interagir com o magnetismo do material e com o campo magnético aplicado.

No ano passado, uma equipa de investigação da Universidade Hebraica de Jerusalém mostrou, de forma experimental, uma influência subtil mas inequívoca da componente magnética no “oposto” do EF, em que a polarização da luz gera um momento magnético num material.

No novo trabalho, os investigadores juntaram os resultados experimentais a cálculos complexos baseados na equação de Landau–Lifshitz–Gilbert - que descreve a dinâmica do magnetismo em materiais sólidos - para avaliar se a mesma interação discreta também atua no próprio Efeito de Faraday.

Para fundamentar os cálculos, recorreram a modelos físicos de granada de térbio-gálio, um cristal magnetizável e frequentemente utilizado em fibras óticas e em tecnologias de telecomunicações.

Quanto conta o campo magnético da luz

De acordo com os cálculos, o campo magnético da luz contribui com cerca de 17 por cento do EF em comprimentos de onda visíveis e 70 por cento em comprimentos de onda no infravermelho - valores longe de serem desprezáveis, ao contrário do que se presumira.

Assim, os resultados indicam que o EF é influenciado diretamente pelo campo magnético oscilante da luz, e não apenas pelo seu campo elétrico, como se acreditava.

"Há mais do que iluminação: a luz também influencia a matéria de forma magnética. O campo magnético estático 'torce' a luz e, por sua vez, a luz revela as propriedades magnéticas do material", explica o físico Amir Capua.

"O que descobrimos é que a parte magnética da luz tem um efeito de primeira ordem; é surpreendentemente ativa neste processo."

Um novo modo de interação: não via carga, mas via momento angular intrínseco

Deste modo, o estudo aponta mais uma via pela qual o campo magnético da luz pode interagir com a matéria - não através da carga do eletrão, mas através de outra característica fundamental: o seu momento angular intrínseco, dado que todos os eletrões em toda a matéria possuem tanto carga como momento angular intrínseco.

Capua descreveu o avanço ao AlertaCiência:

"No centro deste efeito está um princípio básico que identificámos. Em termos muito gerais, pode imaginar-se o momento angular intrínseco do eletrão como uma minúscula carga que gira sobre o seu eixo, quase como um pequeno pião. Para interagir com o 'eletrão em rotação' e desviar a direção do eixo desse movimento, o campo magnético que interage com ele também precisa de 'girar', isto é, tem de ser polarizado circularmente."

Capua acrescenta que isto "cria uma imagem bem equilibrada: o campo elétrico exerce uma força linear sobre a carga, enquanto um campo magnético 'em rotação', polarizado circularmente, exerce um binário sobre o momento angular intrínseco do eletrão."

Implicações para controlo de luz e matéria e para a espintrónica

Detetar esta interação ignorada num EF já estabelecido pode dar aos cientistas uma forma de controlar com maior precisão a luz e a matéria, abrindo caminho a avanços potenciais em deteção, memória e computação - por exemplo, inovações em computação quântica através de um controlo mais preciso de bits quânticos baseados no momento angular intrínseco.

Além disso, o campo da espintrónica recorre ao momento angular intrínseco dos eletrões, em vez da carga, para armazenar e manipular informação.

"O que esta descoberta sugere é que seria possível controlar informação magnética diretamente com luz", afirma o engenheiro eletrotécnico Benjamin Assouline.

Por fim, este trabalho é particularmente estimulante porque recorda um dos pilares da ciência: os investigadores podem, a qualquer momento, descobrir outras propriedades ainda desconhecidas da luz ou de outros fenómenos eletromagnéticos - mesmo em modelos há muito consolidados.

Esta investigação foi publicada em Relatórios Científicos.