Efecto magneto-óptico - Magneto-optic effect

Un efecto magneto-óptico es uno de varios fenómenos en los que una onda electromagnética se propaga a través de un medio que ha sido alterado por la presencia de un campo magnético cuasiestático . En un medio de este tipo, que también se denomina girotrópico o giromagnético , las polarizaciones elípticas que giran hacia la izquierda y hacia la derecha pueden propagarse a diferentes velocidades, lo que da lugar a una serie de fenómenos importantes. Cuando la luz se transmite a través de una capa de material magnetoóptico, el resultado se llama efecto Faraday : el plano de polarización se puede rotar, formando un rotador de Faraday . Los resultados de la reflexión de un material magnetoóptico se conocen como efecto Kerr magnetoóptico (que no debe confundirse con el efecto Kerr no lineal ).

En general, los efectos magneto-ópticos rompen la simetría de inversión del tiempo localmente (es decir, cuando solo se considera la propagación de la luz, y no la fuente del campo magnético), así como la reciprocidad de Lorentz , que es una condición necesaria para construir dispositivos como los dispositivos ópticos. aisladores (a través de los cuales pasa la luz en una dirección pero no en la otra).

Dos materiales gyrotrópicos con direcciones de rotación invertidas de las dos polarizaciones principales, correspondientes a tensores ε conjugados complejos para medios sin pérdidas, se denominan isómeros ópticos .

Permitividad girotrópica

En particular, en un material magneto-óptico, la presencia de un campo magnético (ya sea aplicado externamente o porque el propio material es ferromagnético ) puede causar un cambio en el tensor de permitividad ε del material. El ε se vuelve anisotrópico, una matriz de 3 × 3, con componentes complejos fuera de la diagonal, dependiendo por supuesto de la frecuencia ω de la luz incidente. Si se pueden despreciar las pérdidas por absorción, ε es una matriz hermitiana . Los ejes principales resultantes también se vuelven complejos, correspondientes a la luz polarizada elípticamente donde las polarizaciones que giran hacia la izquierda y hacia la derecha pueden viajar a diferentes velocidades (análoga a la birrefringencia ).

Más específicamente, para el caso en el que se pueden despreciar las pérdidas por absorción, la forma más general de ε de Hermitian es:

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

o de manera equivalente, la relación entre el campo de desplazamiento D y el campo eléctrico E es:

${\ Displaystyle \ mathbf {D} = \ varepsilon \ mathbf {E} = \ varepsilon '\ mathbf {E} + i \ mathbf {E} \ times \ mathbf {g}}$

donde es una matriz simétrica real y es un pseudovector real llamado vector de giro , cuya magnitud es generalmente pequeña en comparación con los valores propios de . La dirección de g se llama eje de giro del material. A primer orden, g es proporcional al campo magnético aplicado : ${\ Displaystyle \ varepsilon '}$${\ Displaystyle \ mathbf {g} = (g_ {x}, g_ {y}, g_ {z})}$${\ Displaystyle \ varepsilon '}$

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

donde está la susceptibilidad magnetoóptica (un escalar en medios isotrópicos, pero más generalmente un tensor ). Si esta susceptibilidad en sí depende del campo eléctrico, se puede obtener un efecto óptico no lineal de generación paramétrica magnetoóptica (algo análogo a un efecto de Pockels cuya fuerza está controlada por el campo magnético aplicado). ${\ Displaystyle \ chi ^ {(m)} \!}$

El caso más simple de analizar es aquel en el que g es un eje principal (vector propio) de , y los otros dos valores propios de son idénticos. Entonces, si dejamos que g se encuentre en la dirección z por simplicidad, el tensor ε se simplifica a la forma: ${\ Displaystyle \ varepsilon '}$${\ Displaystyle \ varepsilon '}$

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

Más comúnmente, se considera que la luz se propaga en la dirección z (paralela ag ). En este caso, las soluciones son ondas electromagnéticas polarizadas elípticamente con velocidades de fase (donde μ es la permeabilidad magnética ). Esta diferencia en las velocidades de fase conduce al efecto Faraday. ${\ Displaystyle 1 / {\ sqrt {\ mu (\ varepsilon _ {1} \ pm g_ {z})}}}$

Para la propagación de la luz puramente perpendicular al eje de giro, las propiedades se conocen como efecto Cotton-Mouton y se utilizan para un circulador .

Rotación de Kerr y elipticidad de Kerr

La rotación de Kerr y la elipticidad de Kerr son cambios en la polarización de la luz incidente que entra en contacto con un material giromagnético. La rotación de Kerr es una rotación en el plano de polarización de la luz transmitida, y la elipticidad de Kerr es la relación del eje mayor al menor de la elipse trazada por la luz polarizada elípticamente en el plano a través del cual se propaga. Los cambios en la orientación de la luz incidente polarizada se pueden cuantificar utilizando estas dos propiedades.

Según la física clásica, la velocidad de la luz varía con la permitividad de un material:

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

donde es la velocidad de la luz a través del material, es la permitividad del material y es la permeabilidad del material. Debido a que la permitividad es anisotrópica, la luz polarizada de diferentes orientaciones viajará a diferentes velocidades. ${\ Displaystyle v_ {p}}$${\ Displaystyle \ epsilon}$${\ Displaystyle \ mu}$

Esto se puede entender mejor si consideramos una onda de luz polarizada circularmente (vista a la derecha). Si esta onda interactúa con un material en el que el componente horizontal (sinusoide verde) viaja a una velocidad diferente a la del componente vertical (sinusoide azul), los dos componentes saldrán de la diferencia de fase de 90 grados (requerida para la polarización circular) cambiando la Elipticidad de Kerr

Un cambio en la rotación de Kerr se reconoce más fácilmente en la luz polarizada linealmente, que se puede separar en dos componentes polarizados circularmente : luz polarizada circular para zurdos (LCP) y luz polarizada circular para diestros (RCP). La anisotropía de la permitividad del material magnetoóptico provoca una diferencia en la velocidad de la luz LCP y RCP, lo que provocará un cambio en el ángulo de la luz polarizada. Los materiales que exhiben esta propiedad se conocen como birrefringentes .

A partir de esta rotación, podemos calcular la diferencia en los componentes de la velocidad ortogonal, encontrar la permitividad anisotrópica, encontrar el vector de giro y calcular el campo magnético aplicado. ${\ Displaystyle \ mathbf {H}}$

Ver también

• Efecto Zeeman
• Efecto QMR
• Efecto Kerr magnetoóptico
• Efecto Faraday
• Efecto Voigt
• Efecto fotoeléctrico

Referencias

• Estándar federal 1037C y MIL-STD-188
• Lev Davídovich Landau; Evgeniĭ Mikhaĭlovich Lifshit︠s︡ (1960). Electrodinámica de medios continuos . Pergamon Press. pag. 82 . Consultado el 3 de junio de 2012 .
• Jackson, John David (1998). Electrodinámica clásica (3ª ed.). Nueva York: Wiley. págs. 6–10. ISBN 978-0471309321.
• Jonsson, Fredrik; Flytzanis, Christos (1 de noviembre de 1999). "Generación paramétrica óptica y emparejamiento de fases en medios magneto-ópticos". Letras de óptica . 24 (21): 1514. Bibcode : 1999OptL ... 24.1514J . doi : 10.1364 / OL.24.001514 .
• Pershan, PS (1 de enero de 1967). "Efectos magneto-ópticos". Revista de Física Aplicada . 38 (3): 1482. Bibcode : 1967JAP .... 38.1482P . doi : 10.1063 / 1.1709678 .
• Freiser, M. (1 de junio de 1968). "Una encuesta de efectos magnetópticos". Transacciones IEEE sobre Magnetismo . 4 (2): 152-161. Código Bibliográfico : 1968ITM ..... 4..152F . doi : 10.1109 / TMAG.1968.1066210 .
• Espectroscopía magnetoóptica de banda ancha

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