首次验证150年前预测的一个基本物理效应

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：unsplash

一

在近代科学史中，电磁学和手性之间的联系吸引了众多科学家的关注。因此而延伸出的许多重大发现，在很大程度上帮助了我们理解物质的电磁特性和光的波动性质。

对这一领域的研究与一个被称为旋光性的概念有关。所谓旋光性，指的是当光束通过一种介质时，这种介质旋转这束光的偏振面的能力。19世纪，法国物理学家弗朗索瓦·阿拉果（François Arago）发现了自然旋光性；接着，迈克尔·法拉第（Michae Faraday）发现了由磁诱导的旋光性（磁旋光性）。

法拉第手性各向异性是与这两种旋光性的关联有关的一个重要效应，在这种效应中，光波的传播特征会同时被自然旋光性和磁旋光性所改变。很多杰出的科学家都曾试图在实验中证实这种效应的存在，但都没能成功。

现在，一项于近期发表在《物理评论快报》的研究表明，物理学家已经检测到了这种难以捉摸的现象，首次证实了这个早在150多年前就已被预测，但一直未能得到实验证实的基本效应。

二

光以正弦波的形式传播，它由相互交错的电场和磁场组成。在传播过程中，光会与介质发生相互作用。

一些外部的场可以对这种相互作用产生影响，比如磁场。在磁旋光性中，一个最著名、最典型的例子就是法拉第效应：如果光被引导通过某种磁性介质，比如晶体，那么光波的偏振面会以一定角度倾斜。这种现象纯粹是由磁场引起的，如果光以相反的方向再次通过这个磁性介质，那么这种现象会更加明显。只有通过改变磁场的方向，这种倾斜效应才能被中和。

在自然旋光性中，则出现了相反的效应。当光通过某种没有磁性的手性介质中时，光波的偏振面会以一定角度倾斜；但当光以相反的方向再次通过介质时，偏振面的旋转会被抵消。手性是一种基本的对称性质，它存在于所有的自然和生命科学中，从软体动物到多肽，从小分子到螺旋星系。例如糖分子就是手性的，科学家能通过分析糖与光的相互作用方式，来确定葡萄中糖的浓度。

物理学家在150多年前就发现了自然旋光性和磁旋光性存在，并几乎在同一时间他们就预言这二者之间必然存在某种联系。然而，要从实验上证明它们之间是有关联的却异常困难，它不仅需要那些能够灵敏地测量频率的仪器，还对实验装置的设计有非常高的要求。

三

现在，应用物理学家Vojislav Krstić和他的合作者终于成功地在实验中确认了法拉第手性各向异性，找到了基本磁光学理论中的最后一块缺失部分。

实验的成功要归功于基于镍螺旋线的独特实验设置。研究人员首先通过在一个旋转圆盘上进行镍的汽化和原子的重新组合，制造出了纳米级的向顺时针旋转和向逆时针旋转的螺旋线。

在一层银金属上，研究人员制造出了一整片由磁性镍螺旋线构成的“森林”。实验的一部分只需用到逆时针的螺旋线；另一部分则只需使用顺时针的螺旋线。这些螺旋线充当了手性介质，银层则会反射射向这种手性介质的光束。而他们在实验中选择使用反射光，而非直接让光通过介质，是实验成功的一个决定性因素。

实验的逻辑是，如果光在“去”和“回”的路径中都穿过了螺旋线，并且如果磁场的方向以非常高的精度改变了方向，那么在理论上，无论螺旋线是顺时针旋转或逆时针旋转，这两个基本的效应应该彼此抵消。但如果这两种现象能相互影响，那么这个过程就会产生一个能被检测到的净信号。

在实验中，他们测量到了这样的净信号，从而证明了手性和磁性效应的相关性，表明了法拉第手性各向异性这种效应的存在。

四

这一结果具有重要的理论和应用意义。它不仅成功地为磁光学理论提供了实验证据，还有望帮助物理学家实现新的电磁现象，比如可调波长的光的负折射甚至负反射。此外，新的结果还为研究某些天体物理现象提供了机会，例如人们认为法拉第手性各向异性发生在磁化的气体云中，其中某些天体粒子会改变星系和星系间介质辐射出的光谱。从更全面的角度来看，这一发现对更好地理解磁化介质中违反奇偶性的光子-粒子相互作用具有深远的意义。

参考来源：

https://www.fau.eu/2021/04/29/news/research/breakthrough-thanks-to-helices-made-of-nickel/

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.177401

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨