مغناطو اپتیک و تحولی که ایحاد خواهد کرد

هنگامی که نوری به سطح یک ماده‌ی فرو مغناطیس می‌خورد و از آن باز می‌تابد، صفحه‌ی قطبش آن می‌چرخد. این را پدیده‌ی کر می‌نامند. پدیده‌ی کر از اواخر قرن نوزدهم شناخته شده بود، اما تا به حال مقدار چرخش بسیار کوچک بوده است: در حدود چند درجه این مقدار عملاً همان مقدار چرخشی است که خود کر در آزمایش با قطب‌های پولیش شده‌ی آهنربا مشاهده کرده است. به این ترتیب، اثر اپتیکی حاصل از تغییر جهت مغناطش بسیار کوچک است.
در سال 1996، پیتینی و همکارانش گزارش دادند که در یک تک بلور سریم – آنتیموان چرخش کر به اندازه‌ی °90 مشاهده کرده‌اند. این چرخش برای پرتوی فروسرخی با انرژی 46ر0 الکترون ولت رخ می‌دهد. پیش از این، رکورد چرخش کر °14 بوده است، که برای همین ماده مشاهده شده است. ضمناً هیچ پیش بینی نظریی هم وجود نداشت که چنین اثر بزرگی قابل تولید است. در واقع حداکثر چرخش کر، طبق تعریف، °90 است، که به ازای آن راستای میدان الکتریکی و مغناطیسی با هم عوض می‌شود. این چرخش آن‌قدر بزرگ است که تقریب‌های نظری معمول را بی اعتبار می‌کند. در این تقریب‌ها چرخش قطبش به عناصر غیر قطری ماتریس رسانش ماده مربوط می‌شود. از دید کاربردی، بزرگی اثر بسیار خوب است. پژوهش‌های زیادی برای تولید مواد چند لایه‌ی مغناطیسی با چرخش کر قابل ملاحظه در ناحیه‌ی فرابنفش انجام شده است. از جمله‌ی این مواد آن‌هایی‌اند که با لایه‌های فوق‌العاده نازک کبالت – پلاتین ساخته می‌شود. لیزر فرابنفش برای انباره‌های پر ظرفیت داده لازم است. اما به نظر نمی‌رسد کشف پیتینی و همکارانش انقلابی در ضبط مغناطواپتیکی به وجود آورد: برای این چرخش بزرگ، یک تک بلور، میدان مغناطیسی بزرگ (پنج تسلا)، و دمای کم( K 5 ر1) لازم است. به علاوه انرژی eV46ر0 متناظر با چرخش بیشینه در ناحیه‌ی فروسرخ قرار دارد. طول موج این پرتو بیش از یک میکرومتر است، که برای ضبط فشرده‌ی داده بسیار بزرگ است. به طور کلی چرخش کر برای چند بلورها کمتر از تک بلورها است. پس حتماً در لایه‌های سریم – آنتی‌موان چرخش کمتری نسبت به تک بلور همین ماده مشاهده خواهد شد. با وجود این شاید بتوان از این وسیله، مثلاً به عنوان یک کلید اپتیکی با کنترل مغناطیسی استفاده کرد. چرخش بزرگ مشاهده شده در بلور سریم – آنتیموان، تا حدی ناشی از رخ دادن همزمان چند اثر است. در eV46ر0 یک کمینه‌ی پلاسما وجود دارد: تابش فرودی یک حرکت جمعی در الکترون‌ها القا می‌کند، که قطبش الکتریکی درون ماده را می‌پوشاند. به این ترتیب آن بخش از بازتابش که قطبش آن تغییر نکرده کاهش می‌یابد و چرخش بزرگی مشاهده می‌شود. به طور میکروسکوپی پدیده‌ی کر ناشی از گذارهای تابع اسپین بین حالت‌های الکترونی ماده است. در بلور سریم – آنتیموان، تراز زیرینی که در این امر دخالت می‌کند یک حالت اشباع است، یعنی مؤلفه‌ی تکانه‌ی زاویه‌ای موازی با میدان آن بیشترین مقدار منفی ممکن را دارد. پس این حالت فقط می‌تواند نور راستگرد قطبیده جذب کند (که تکانه‌ی زاویه‌ایش را افزایش دهد).
اما این‌ها فقط بخشی از چرخش °90 را توضیح می‌دهند. برای توضیح کامل پدیده‌ لازم است ماهیت ترازهای f4 سریم در این ماده به دقت شناخته شود و تفاوت این ترازها با ترازهای f4 سریم خالص مشخص شود. شاید این تلاش‌ها در آینده به تولید موادی بینجامد که برای کاربردهای مغناطو اپتیکی مناسب‌ترند.