光的磁场被忽视了200年？

​ ​我们对光的理解，或许从一开始便不够全面。当耶路撒冷希伯来大学的研究团队宣告推翻一个存续将近两个世纪的光学假设之时，这不仅是对旧理论的调整——它意味着我们对于光与物质相互作用的整个认知架构需重新书写。
​ ​这一发现，发表在《自然》旗下的《科学报告》上，核心结论，简单却颠覆：光的磁性分量，并非无关紧要的配角，而是在法拉第效应中，扮演着可直接测量的主角之一。这个结论，打破了自1845年迈克尔·法拉第发现该效应以来的基本假设——所有人都认为，只有光的电场在与物质相互作用，磁场成分被认为，太弱而无足轻重。

两个世纪的遗漏
​ ​法拉第效应，指的是当光穿过处在恒定磁场中的物质之时，其偏振方向会发生旋转这样一种现象。长期以来,物理学家将这种现象完全归因于光的电场与物质中电荷的相互作用。
​ ​但希伯来大学电气工程与应用物理研究所的AmirCapua博士和BenjaminAssouline通过Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程的高级计算证明,光的振荡磁场能够在材料内部产生磁力矩,其作用方式类似于静态磁场。
​ ​研究团队选择了铽镓石榴石（TGG）晶体，作为验证对象，——这是一种在法拉第效应实验中被广泛使用的材料。数据显示，在可见光波长下，光的磁场分量，贡献了约17%的偏振旋转；而在红外波段，这一比例，飙升至70%。“换句话说，光并非仅仅照亮物质，它还对物质施加着磁性影响，”Capua博士解释道。

被忽视的磁性力量
​ ​这一发现的深层意义在于，揭示了光与物质相互作用的多维性。传统理论框架，将光简化为电磁波的电场部分，而磁场则被视为次要效应。但新研究表明，光通过其磁场分量，直接与材料中的自旋相互作用，产生一阶效应，而非高阶修正。
​ ​研究团队的理论推导显示，光致磁力矩，与光学强度成正比，并且随曝光时间，线性累积。这意味着，即使在连续波（CW）条件下，磁场效应，也能在长时间曝光中，产生显著影响。Assouline指出：“我们的结果表明，光，不仅通过电场与物质‘对话’，还通过磁场——这一成分，直到现在才被充分认识”。
​ ​从数学角度看,研究证明了法拉第旋转角的韦尔代常数(Verdetconstant)中包含源自光磁场的贡献,且该贡献在长波长范围内尤为显著。这解释了为什么在红外波段,磁场效应占据主导地位——波长越长,磁场分量的相对作用越强。

技术前景的重新定义
​ ​这一发现对多个前沿领域具有直接应用价值。在自旋电子学中,利用光的磁场分量可实现更精确的自旋操控,这对开发基于自旋的量子计算技术至关重要。在光学数据存储领域,磁场调控为实现更高密度、更快速的写入提供了新途径。
​ ​值得注意的是,研究还发现即使线性偏振光也能在特定条件下通过磁场效应产生动态演化,尽管净力矩为零。这为利用非圆偏振光进行磁性调控打开了可能性,拓宽了光磁控制的技术路径。
​ ​从产业角度来看，光通信，光学传感器，磁光调制器等设备的设计原理或许需要重新进行审视。当磁场分量的贡献达到17%到70%之时，若忽略这一因素，便可能致使性能预测出现偏差以及优化空间被遗漏。

科学认知的迭代逻辑
​ ​这项研究提醒我们，即使是被认为“已然解决”的经典物理问题，仍或许隐藏着未曾被发觉的层面。法拉第效应已存在180年，众多实验验证了其现象，不过对其机制的理解却始终不够完整。Capua团队之所以能够取得突破，部分缘由在于他们采用了描绘磁性系统自旋运动的LLG方程，而非传统的光学理论框架。
​ ​值得思考的是，为何两个世纪以来，物理学家未能发现磁场分量的作用？一个原因是，实验精度的限制——在可见光波段，17%的贡献，可能淹没在测量误差中；另一个原因是，理论预设的惯性——当电场“足够好”地解释时，很少有人去质疑，是否存在其他机制。
​ ​科学发展里，这样的认知盲区有不少。从牛顿力学发展到相对论，从经典电磁学到量子力学，每次范式转变，常常是因为重新审视那些“显而易见”的前提。希伯来大学的这项研究又显示，基础科学的重大进步，通常来自对那些被忽略的细节深入研究。

从实验室到应用的距离
​ ​尽管理论上取得了突破，不过从科学发现到技术应用依旧需要跨越诸多障碍。首先，需要研发出能够精准地测量并利用光磁场分量的实验装置；其次，需要去探寻在不同材料体系中磁场效应的具体呈现形式；最后，需要把这一机制融入到现有的技术框架当中。
​ ​当前研究聚焦于TGG晶体这一特定材料，不过，光磁相互作用在其他磁性材料，以及半导体甚至生物组织中的行为，仍有待深入探索。波长依赖性的进一步研究亦极为关键——倘若磁场效应在红外和太赫兹波段更为强烈，这样，这些频段的应用前景或许会超出预期。
​ ​除此之外，研究还揭示了，自旋-轨道耦合可能为磁场贡献，引入波长依赖性，这为调控光磁相互作用，提供了额外自由度。未来研究可能会发现，通过材料设计，和波长选择，能够“定制”光磁效应的强度和特性。
​ ​你认为光的磁性分量还会在哪些领域产生意想不到的影响?欢迎在评论区分享你的见解。
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