Des physiciens de la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) ont pour la première fois pu prouver un effet fondamental longtemps prévu mais non encore confirmé. Dans l'anisotropie chirale de Faraday, les caractéristiques de propagation des ondes lumineuses sont modifiées simultanément par les propriétés matérielles naturelles et induites par le champ magnétique du milieu traversé par la lumière. Les chercheurs en ont obtenu la preuve en réalisant des expériences utilisant des hélices de nickel à l'échelle nanométrique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue académique Lettres d'examen physique .

La lumière est transmise sous forme d'ondes sinusoïdales constituées de champs électriques et magnétiques croisés et interagit avec la matière. Cette interaction peut être influencée, en particulier, par des champs magnétiques externes. L'un des exemples les plus connus de cette activité magnéto-optique est l'effet Faraday :si la lumière est dirigée à travers un milieu magnétique, comme un cristal, le plan de polarisation des ondes lumineuses s'incline d'un certain angle. Ce phénomène est causé uniquement par le champ magnétique et devient plus prononcé si la lumière traverse à nouveau le milieu dans la direction opposée. L'effet de rotation ne peut être neutralisé que si la direction du champ magnétique est également modifiée.

L'effet inverse est observé dans l'activité optique naturelle des milieux chiraux sans champ magnétique, dans lequel la rotation du plan de polarisation s'annule lorsque la lumière traverse à nouveau le milieu dans le sens opposé. Chiral signifie que les molécules ou les figures ont une image miroir qui ne peut pas être superposée par simple rotation. Des exemples sont les mains gauche et droite d'un humain ou des coquilles d'escargot avec des spirales allant dans des directions opposées. Les molécules de sucre sont également chirales. La façon dont ils interagissent avec la lumière peut être utilisée, par exemple, pour déterminer la concentration de sucre dans les raisins.

Sur les traces de Louis Pasteur

Les scientifiques sont conscients des deux phénomènes - l'activité optique naturelle et magnétique - depuis plus de 150 ans, et pendant presque le même temps, les scientifiques étaient convaincus qu'une combinaison des deux devait exister. « Même Louis Pasteur, le célèbre scientifique français, essayé de prouver une corrélation en utilisant diverses expériences différentes, " explique Vojislav Krsti, Professeur de physique appliquée à la FAU. "Bien sûr, Pasteur n'avait pas les instruments sensibles de mesure de fréquence que nous avons aujourd'hui. Mais même en utilisant cette technologie, la preuve est encore restée insaisissable, en grande partie en raison du fait que personne n'a conçu une configuration d'expérience appropriée."

Une collaboration internationale dirigée par Vojislav Krsti a maintenant réussi là où Pasteur et de nombreux autres chercheurs ont échoué. Ils sont devenus les premiers à confirmer "l'anisotropie chirale de Faraday" dans une expérience, fournissant l'une des dernières pièces manquantes de la théorie magnéto-optique fondamentale. Leur succès était dû à une configuration expérimentale unique basée sur des hélices de nickel. Les chercheurs ont produit des spirales en spirale dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, de forme similaire aux pâtes fusilli italiennes, à l'échelle nanométrique en vaporisant du nickel et en rassemblant des atomes sur un disque en rotation. "La rotation du disque fait que les nanostructures prennent une forme de vis au lieu de former des piliers comme c'est habituellement le cas, " explique Krsti.

Une "forêt" d'hélices comme milieu chiral

Pour l'expérience elle-même, une "forêt" d'hélices magnétiques de nickel a été mise en place sur une couche d'argent. Dans une partie de l'expérience, seules des spirales dans le sens inverse des aiguilles d'une montre ont été utilisées, et dans le second uniquement dans le sens des aiguilles d'une montre. Les hélices ont agi comme un milieu chiral, et la couche d'argent réfléchissait le faisceau de lumière dirigé vers elle. "Le fait que nous ayons réfléchi la lumière au lieu de simplement la diriger à travers le médium a été un facteur décisif, " dit Vojislav Krsti.

L'idée derrière l'expérience était que si la lumière passe à travers les hélices à l'aller comme au retour, et si la direction du champ magnétique est modifiée avec une grande précision, alors en théorie les deux effets fondamentaux devraient s'annuler, peu importe si les hélices sont dans le sens horaire ou antihoraire. Si les deux phénomènes s'influencent mutuellement, cependant, il faut alors laisser un signal net qui se comporte de manière opposée pour les hélices dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Krsti note, "Nous avons effectivement mesuré un signal net comme celui-ci, prouvant ainsi la corrélation de l'effet chiral et magnétique. C'était l'un de ces « Eurêka ! moments dont tout chercheur rêve. »

Recherches astro en laboratoire et impulsions pour l'électronique quantique

Avec leurs recherches, les chercheurs dirigés par Vojislav Krsti n'ont pas seulement réussi à apporter la preuve expérimentale d'une théorie de la magnéto-optique prédite depuis longtemps. Leur approche signifie également que les chercheurs pourront étudier certains phénomènes astrophysiques sur Terre. On pense, par exemple, que l'anisotropie chirale de Faraday a lieu dans des nuages ​​de gaz magnétisés dans lesquels certaines astroparticules modifient le spectre lumineux rayonné par les milieux galactiques et intergalactiques. Les résultats pourraient également donner de nouvelles impulsions pour une étude plus approfondie des technologies quantiques pour les commutateurs électroniques, car le processus optomagnétique décrit se retrouve également de manière analogue lors de l'excitation électronique dans les corps solides.