Знали ли вы, что светом можно управлять с помощью магнитного поля? 

Нет, в статье ниже не пойдёт речь о создании «DIY-чёрной дыры» :-D 

А будет рассказ об интересном эффекте, открытом в 1845 году Майклом Фарадеем, благодаря чему и зародилась целая область науки, называемая «магнитооптикой». 

Рассмотрим подробнее, что же это такое... 

Суть открытия Фарадея заключается в том, что если через оптически неактивное вещество проходит линейно-поляризованный свет, на который воздействует продольное статическое магнитное поле, то будет наблюдаться вращение плоскости поляризации этого света.

Дальше будет объяснение происходящего (если физики смогут поправить или внести некие дополнения — буду только рад), однако мне самому это было довольно сложно понять, поэтому постараюсь максимально простыми словами.

Итак, мы видим на картинке выше, что волна движется сквозь тело, и эта волна вертикально поляризована, что, соответственно, означает, что колебания электромагнитной волны происходят в вертикальной плоскости (это видно на картинке). 

Однако такая вертикальная поляризация означает на самом деле, что такое положение волны в пространстве является неким компромиссом между левым и правым её вращениями (говорят: «левой или правой поляризацией»), которые присутствуют прямо в данный момент и являются неотъемлемой характеристикой света, — а мы всего лишь с помощью, например, некоего фильтра-поляризатора, «через узенькую щёлочку» смотрим на вращение, и нам кажется, что в плоскости этой щели скорости левого и правого вращений совпали.

Однако всё изменяется, если подключается внешнее магнитное поле (здесь есть свои нюансы, об этом ещё будет ниже): скорости левого и правого вращений начинают отличаться друг от друга, и плоскость, в которой мы могли ранее наблюдать выровнявшиеся скорости, начинает смещаться (например, плоскость была вертикальной, а стала горизонтальной).

Это как в математике: +1 и -1 дают ноль, а вот +2 и -1 уже дадут смещение в плюсовую сторону; или, скажем +1 и -2 дадут смещение в отрицательную сторону.

Однако простого воздействия магнитного поля недостаточно, нужны ещё дополнительные благоприятствующие условия среды, в которой распространяется свет, и разные среды позволяют вращать плоскость поляризации на разные значения (для кодирования этой величины в цифровом формате есть так называемая «постоянная Верде»).

Во всех средах причиной вращения плоскости поляризации являются электроны, на которые и воздействует магнитное поле. 

Кроме того, с электронами взаимодействует и свет, так как он является электромагнитной волной, и, проходя через среду, он раскачивает электроны среды (условно говоря, «влево/вправо»), а появление магнитного поля благодаря силе Лоренца добавляет движению электронов ещё третий вектор отклонения (грубо говоря, допустим, «вверх»), и в результате всех этих воздействий траектория движения электронов становится винтовой — появляется закрутка, которая может совпадать или отличаться по направлению от левой или правой компоненты поляризации световой волны.

Таким образом получается, что одной из компонент световой волны (например, с правой поляризацией) становится «труднее пробираться» сквозь среду, так как ей сопротивляется «встречная закрутка» электронов среды, тогда как другой компоненте (например, с левой поляризацией) становится легче перемещаться сквозь среду, так как она ей меньше сопротивляется. 

В результате получается, что при движении сквозь среду в зависимости от длины этой среды будет наблюдаться всё увеличивающаяся разность скоростей для лево- и правосторонних компонент световой волны, что и приведёт, если наблюдать на эту волну через поляризованный фильтр, к смещению плоскости поляризации на определённый угол. 

В общем случае можно сказать, что среда тем сильнее реагирует на воздействие магнитного поля:

• чем больше в ней свободных электронов, которые могут смещаться;

• чем более тяжёлые атомы вещества и чем меньше в нём симметрии.

Если попытаться проранжировать (слева-направо; слева — с самой сильной реакцией) вещества, то перечень будет выглядеть примерно таким образом: теллурид кадмия-ртути, феррит-гранаты, селенид цинка, оливковое масло, вода, ряд других веществ, вакуум.

Таким образом, мы видим, что фактически на магнитное поле будут реагировать многие среды, однако реакция некоторых будет довольно слабой, и её трудно будет наблюдать невооружённым глазом.

Ниже будет любопытное видео, где проведены практические эксперименты, как разные среды реагируют на магнитное поле, где очень хорошо видно, что даже обычная вода может являться средой для отклонения плоскости поляризации. 

Кроме того, с 5:25 даётся объяснение интересной оптической системы из двух поляризаторов, электромагнитной катушки и оптической среды (даже обычной воды), где всё это вместе может выступить в роли «одностороннего пропускателя» света: свет проходит только в одну сторону, а в другую сторону система является непрозрачной. 

Подобные устройства называются «оптическими изоляторами», и более подробно об их принципе действия можно почитать вот здесь.

А вот и само видео:

В видео выше мы видим, что одной из интересных сред, в которой наблюдается этот эффект, является оливковое масло, среда которого содержит ряд типов молекул ненасыщенных жирных кислот, которые чувствительны к воздействию внешних магнитных полей, благодаря чему масло и может менять свои оптические свойства в присутствии таких полей. 

При этом там же показан и эксперимент с водой, который по своему механизму действия отличается от того, который наблюдается в масле: если в масле эффект проявляется за счёт π-электронных связей в жирных кислотах, то в воде он вызывается полярными молекулами воды и одинокими электронными парами. 

Также интересно, насколько отличаются возможности воды и масла вращать плоскость поляризации при прочих равных: так как постоянная Верде у воды и масла составляет, соответственно, 1,3...2,5 и 100...200, то, если взять для примера, что свет проходит в этих средах 100 мм, а сила магнитного поля составляет 1 Тл, это позволит повернуть плоскость поляризации для воды вплоть до 14,3°, тогда когда для оливкового масла можно будет осуществить поворот аж до 1146°, поэтому для масла этот эффект так заметен...

Но это всё совершенная мелочь по сравнению с перечисленным выше теллуридом кадмия-ртути — в нём плоскость поляризации света можно вращать аж на 171900° (при тех же условиях).

Казалось бы, зачем он нужен, если можно было бы взять другие материалы, которые позволяют повернуть плоскость поляризации на более скромные углы? 

Дело здесь в том, что такой большой угол потенциального поворота позволяет управлять светом в очень тонких слоях (микронных) — то есть не требуется относительно толстого слоя материала, чтобы осуществить полезную работу (выше мы уже говорили о том, что угол поворота в том числе зависит от того, какой по длине путь проходит свет в среде). 

И здесь просто-напросто требуется очень короткий путь для осуществления полезной работы, а это уже, в свою очередь, означает, что расход материала на создание полезной детали будет маленьким — достаточно даже микронной плёнки... 

К слову, выше мы разбирали оптические изоляторы, и вот эта плёнка из теллурида кадмия-ртути как раз и предназначена для работы в качестве оптического изолятора, и её могут устанавливать в защиту оптики волоконных лазеров, чтобы лазерный луч, отразившись от детали, не зашёл обратно в оптический тракт и не разрушил резонатор. 

Эффект Фарадея потенциально может быть применён во множестве технических направлений, например, с его помощью может быть реализован способ записи информации на жёсткие диски, когда производится нагрев с помощью лазера точки на поверхности, после чего включается магнитное поле, которое меняет поляризацию отражённого от поверхности света, в результате может быть записан ноль или единица. 

Запись магнитного поля может быть произведена только после нагрева, поэтому используется лазер. А сам такой способ записи отличается от существующих жёстких дисков тем, что, несмотря на то, что скорость чтения/записи на такой диск показывает не слишком впечатляющие показатели и находится где-то посередине между механическими HDD и SSD, его сильные качества — совсем в другом: срок его потенциальной службы составляет десятки лет (износ при перезаписи весьма незначителен), и он не боится механических воздействий.

Благодаря этим качествам такие диски («магнитооптические») использовали ещё в 1990-е годы, а сейчас их перспективно использовать в космической области — как раз из-за их нечувствительности к ударам и вибрациям, так как на данный момент по скорости работы они проиграли SSD, но по-прежнему остаются актуальными для целей хранения архивных данных в течение долгого времени и специальных применений (космос и т.д.).

Ещё одним интересным применением является известный способ, позволяющий создавать очень чувствительные датчики (на основе особых стёкол), которые могут улавливать даже очень слабые поля от нейронов мозга, что влияет на прохождение света сквозь эти стёкла — так могут быть реализованы будущие нейроинтерфейсы. 

В качестве таких стёкол используются легированные церием силикатные стёкла, лазерный свет и фотодиоды — и всё это вместе позволяет улавливать очень слабые поля от нейронов (в миллионы раз более слабые, чем у гибких магнитов, как пример). 

По сравнению с существующими способами, такие магнитооптические датчики существенно точнее, не реагируют на движения мышц, не требуют охлаждения до сверхнизких температур и работают при комнатной температуре, обходясь, к тому же, существенно дешевле имеющихся на данный момент аналогов.

В целом, это довольно сложная тема, но если кто-то заинтересовался, то вот здесь можно найти интересную обзорную статью про интерфейсы мозг/компьютер, а вот здесь весьма большой список ресурсов, касающихся этого же вопроса (теория вопроса, программные решения и т. д.).

Естественно, возможность управлять потоками света не может остаться в стороне и от текущего тренда на развитие квантовых компьютеров, где манипулирование светом может быть очень полезным. 

Ещё одним интересным способом применения этого эффекта является возможность создавать защитные покрытия военного назначения — своеобразную «шапку-невидимку» от света: специальные покрытия позволяют «прятаться» от тепловизоров, так как часть инфракрасного излучения поглощается самим покрытием, а часть излучается, но уже с изменённой плоскостью поляризации, после чего его перестаёт видеть тепловизор*.

*Однако тут следует, что большинство стандартных тепловизоров не имеют поляризаторов, поэтому этот способ будет работать только для весьма ограниченных случаев.

Подытоживая, следует отметить, что у технических средств для обеспечения наблюдения эффекта Фарадея есть и очевидные проблемы, с которыми придётся сталкиваться и как-то их решать: чтобы его реализовать, нужны достаточно сильные магнитные поля, а, соответственно, и довольно громоздкие электромагниты.

Кроме того, в эффективных применениях используются достаточно дорогие компоненты, наподобие того же самого теллурида кадмия-ртути, что тоже не улучшает возможности широкого распространения. 

Тем не менее сам эффект довольно любопытный и, при желании, можно попробовать его применить множеством способов. А какие вам приходят идеи, чтобы реализовать его в жизни? ;-) 

P.S. Вот, к примеру, подумалось тут про подобные «жалюзи» на окна… :-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»