Efeito magneto-óptico - Magneto-optic effect

Um efeito magneto-óptico é qualquer um de uma série de fenômenos nos quais uma onda eletromagnética se propaga através de um meio que foi alterado pela presença de um campo magnético quasistático . Em tal meio, que também é chamado de girotrópico ou giromagnético , as polarizações elípticas giratórias para a esquerda e para a direita podem se propagar em velocidades diferentes, levando a uma série de fenômenos importantes. Quando a luz é transmitida por uma camada de material magneto-óptico, o resultado é chamado de efeito Faraday : o plano de polarização pode ser girado, formando um rotador de Faraday . Os resultados da reflexão de um material magneto-óptico são conhecidos como efeito Kerr magneto-óptico (não deve ser confundido com o efeito Kerr não linear ).

Em geral, os efeitos magneto-ópticos quebram a simetria de reversão do tempo localmente (ou seja, quando apenas a propagação da luz, e não a fonte do campo magnético, é considerada), bem como a reciprocidade de Lorentz , que é uma condição necessária para construir dispositivos como o óptico isoladores (através dos quais a luz passa em uma direção, mas não na outra).

Dois materiais girotrópicos com direções de rotação invertidas das duas polarizações principais, correspondendo a tensores ε de conjugados complexos para meios sem perdas, são chamados de isômeros ópticos .

Permissividade girotrópica

Em particular, em um material magneto-óptico, a presença de um campo magnético (aplicado externamente ou porque o próprio material é ferromagnético ) pode causar uma mudança no tensor de permissividade ε do material. O ε torna-se anisotrópico, uma matriz 3 × 3, com componentes fora da diagonal complexos , dependendo, é claro, da frequência ω da luz incidente. Se as perdas por absorção podem ser desprezadas, ε é uma matriz Hermitiana . Os eixos principais resultantes também se tornam complexos, correspondendo à luz elipticamente polarizada, onde as polarizações rotativas para a esquerda e para a direita podem viajar em velocidades diferentes (análogo à birrefringência ).

Mais especificamente, para o caso em que as perdas por absorção podem ser desprezadas, a forma mais geral de ε de Hermit é:

${\ displaystyle \ varepsilon = {\ begin {pmatrix} \ varepsilon _ {xx} '& \ varepsilon _ {xy}' + ig_ {z} & \ varepsilon _ {xz} '- ig_ {y} \\\psilon _ {xy} '- ig_ {z varej & \ varejpsilon _ {yy}' & \ varepsilon _ {yz} '+ ig_ {x} \\\ varejpsilon _ {xz}' + ig_ {y} & \psilon _ {yz } '- ig_ {x} & \ varepsilon _ {zz}' \\\ end {pmatrix}}}$

ou equivalentemente, a relação entre o campo de deslocamento D e o campo elétrico E é:

${\ displaystyle \ mathbf {D} = \ varejpsilon \ mathbf {E} = \ varejpsilon '\ mathbf {E} + i \ mathbf {E} \ times \ mathbf {g}}$

onde é uma matriz simétrica real e é um pseudovetor real denominado vetor de rotação , cuja magnitude é geralmente pequena em comparação com os valores próprios de . A direção de g é chamada de eixo de rotação do material. Para a primeira ordem, g é proporcional ao campo magnético aplicado : ${\ displaystyle \ varepsilon '}$${\ displaystyle \ mathbf {g} = (g_ {x}, g_ {y}, g_ {z})}$${\ displaystyle \ varepsilon '}$

${\ displaystyle \ mathbf {g} = \ varepsilon _ {0} \ chi ^ {(m)} \ mathbf {H}}$

onde está a susceptibilidade magneto-óptica (um escalar em meios isotrópicos, mas mais geralmente um tensor ). Se esta suscetibilidade depende do campo elétrico, pode-se obter um efeito ótico não linear de geração paramétrica magneto-ótica (algo análogo a um efeito de Pockels cuja força é controlada pelo campo magnético aplicado). ${\ displaystyle \ chi ^ {(m)} \!}$

O caso mais simples de analisar é aquele em que g é um eixo principal (autovetor) de e os outros dois autovalores de são idênticos. Então, se deixarmos g ficar na direção z para simplificar, o tensor ε simplifica para a forma: ${\ displaystyle \ varepsilon '}$${\ displaystyle \ varepsilon '}$

${\ displaystyle \ varepsilon = {\ begin {pmatrix} \ varepsilon _ {1} & + ig_ {z} & 0 \\ - ig_ {z} & \ varepsilon _ {1} & 0 \\ 0 & 0 & \ varepsilon _ {2} \ \\ end {pmatrix}}}$

Mais comumente, considera-se a propagação da luz na direção z (paralela ag ). Neste caso, as soluções são ondas elipticamente polarizadas com velocidades de fase (onde μ é a permeabilidade magnética ). Essa diferença nas velocidades de fase leva ao efeito Faraday. ${\ displaystyle 1 / {\ sqrt {\ mu (\ varepsilon _ {1} \ pm g_ {z})}}}$

Para a propagação da luz puramente perpendicular ao eixo de giração, as propriedades são conhecidas como efeito Algodão-Mouton e usadas para um circulador .

Rotação de Kerr e elipticidade de Kerr

A rotação de Kerr e a elipticidade de Kerr são mudanças na polarização da luz incidente que entra em contato com um material giromagnético. A rotação de Kerr é uma rotação no plano de polarização da luz transmitida e a elipticidade de Kerr é a proporção do eixo maior para o menor da elipse traçada pela luz elipticamente polarizada no plano através do qual ela se propaga. Mudanças na orientação da luz incidente polarizada podem ser quantificadas usando essas duas propriedades.

De acordo com a física clássica, a velocidade da luz varia com a permissividade de um material:

${\ displaystyle v_ {p} = {\ frac {1} {\ sqrt {\ epsilon \ mu}}}}$

onde é a velocidade da luz através do material, é a permissividade do material e é a permeabilidade do material. Como a permissividade é anisotrópica, a luz polarizada de diferentes orientações viajará em velocidades diferentes. ${\ displaystyle v_ {p}}$${\ displaystyle \ epsilon}$${\ displaystyle \ mu}$

Isso pode ser melhor compreendido se considerarmos uma onda de luz que é circularmente polarizada (vista à direita). Se esta onda interagir com um material no qual o componente horizontal (sinusóide verde) viaja a uma velocidade diferente do componente vertical (sinusóide azul), os dois componentes cairão da diferença de fase de 90 graus (necessária para polarização circular) mudando o Elipticidade de Kerr

Uma mudança na rotação de Kerr é mais facilmente reconhecida na luz polarizada linearmente, que pode ser separada em dois componentes polarizados circularmente : luz polarizada circular canhota (LCP) e luz polarizada circular direita (RCP). A anisotropia da permissividade do material magneto-óptico causa uma diferença na velocidade da luz LCP e RCP, o que causará uma mudança no ângulo da luz polarizada. Os materiais que exibem esta propriedade são conhecidos como Birrefringentes .

A partir dessa rotação, podemos calcular a diferença nos componentes de velocidade ortogonais, encontrar a permissividade anisotrópica, encontrar o vetor de rotação e calcular o campo magnético aplicado ${\ displaystyle \ mathbf {H}}$

Veja também

• Efeito Zeeman
• Efeito QMR
• Efeito magneto-óptico Kerr
• Efeito Faraday
• Efeito Voigt
• Efeito fotoelétrico

Referências

• Federal Standard 1037C e de MIL-STD-188
• Lev Davídovich Landau; Evgeniĭ Mikhaĭlovich Lifshit︠s︡ (1960). Eletrodinâmica de meios contínuos . Pergamon Press. p. 82 . Retirado em 3 de junho de 2012 .
• Jackson, John David (1998). Eletrodinâmica clássica (3ª ed.). Nova York: Wiley. pp. 6–10. ISBN 978-0471309321.
• Jonsson, Fredrik; Flytzanis, Christos (1 de novembro de 1999). "Geração paramétrica óptica e casamento de fase em meios magneto-ópticos". Cartas de óptica . 24 (21): 1514. Bibcode : 1999OptL ... 24.1514J . doi : 10.1364 / OL.24.001514 .
• Pershan, PS (1 de janeiro de 1967). "Efeitos magneto-ópticos". Journal of Applied Physics . 38 (3): 1482. bibcode : 1967JAP .... 38.1482P . doi : 10.1063 / 1.1709678 .
• Freiser, M. (1 de junho de 1968). "Um levantamento dos efeitos magnetoópticos". IEEE Transactions on Magnetics . 4 (2): 152–161. Bibcode : 1968ITM ..... 4..152F . doi : 10.1109 / TMAG.1968.1066210 .
• Espectroscopia magneto-óptica de banda larga

 Este artigo incorpora  material de domínio público do documento General Services Administration : "Federal Standard 1037C" .