Efecto magnetoóptico

El efecto magnetoóptico es un fenómeno en el que una onda electromagnética se propaga a través de un medio alterado por la presencia de un campo magnético cuasiestático . En dicho medio, también llamado girotrópico o giromagnético , las polarizaciones elípticas que giran hacia la izquierda y hacia la derecha pueden propagarse a diferentes velocidades, dando lugar a diversos fenómenos importantes. Cuando la luz se transmite a través de una capa de material magnetoóptico, el resultado se conoce como efecto Faraday : el plano de polarización puede girar, formando un rotador de Faraday . Los resultados de la reflexión en un material magnetoóptico se conocen como efecto Kerr magnetoóptico (que no debe confundirse con el efecto Kerr no lineal ).

En general, los efectos magnetoópticos rompen localmente la simetría de inversión temporal (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 aisladores ópticos (a través de los cuales la luz pasa en una dirección pero no en la otra).

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

En particular, en un material magnetoóptico, la presencia de un campo magnético (ya sea aplicado externamente o debido a que el material es ferromagnético ) puede provocar un cambio en el tensor de permitividad ε del material. ε se vuelve anisotrópico, una matriz de 3×3, con componentes fuera de la diagonal complejas , dependiendo 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, lo que corresponde a luz polarizada elípticamente, donde las polarizaciones que giran a la izquierda y a la derecha pueden viajar a diferentes velocidades (análogo a la birrefringencia ).

Más específicamente, para el caso en que se pueden despreciar las pérdidas por absorción, la forma más general de ε hermitiana 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, equivalentemente, la relación entre el campo de desplazamiento D y el campo eléctrico E es:

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

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

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

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

El caso más sencillo de analizar es aquel en el que g es un eje principal (vector propio) de${\displaystyle \varepsilon '}$y los otros dos autovalores de${\displaystyle \varepsilon '}$son idénticos. Entonces, si hacemos que g esté en la dirección z para simplificar, el tensor ε se simplifica a la forma:

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

Lo más común es considerar la luz que se propaga en la dirección z (paralela a g ). En este caso, las soluciones son ondas electromagnéticas polarizadas elípticamente con velocidades de fase.${\displaystyle 1/{\sqrt {\mu (\varepsilon _{1}\pm g_{z})}}}$(donde μ es la permeabilidad magnética ). Esta diferencia en las velocidades de fase da lugar al efecto Faraday.

Para la luz que se propaga de forma puramente perpendicular al eje de giro, las propiedades se conocen como el 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 incide sobre 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 entre el eje mayor y el eje menor de la elipse descrita por la luz polarizada elípticamente en el plano por el que se propaga. Los cambios en la orientación de la luz incidente polarizada pueden cuantificarse mediante estas dos propiedades.

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

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

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

Esto se comprende mejor si consideramos una onda de luz polarizada circularmente (que se muestra a la derecha). Si esta onda interactúa con un material en el que la componente horizontal (sinusoide verde) viaja a una velocidad diferente a la de la componente vertical (sinusoide azul), ambas componentes se desfasarán 90 grados (lo cual es necesario para la polarización circular), modificando así 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 polarizadas circularmente : luz polarizada circularmente a la izquierda (LHCP) y luz polarizada circularmente a la derecha (RHCP). La anisotropía de la permitividad del material magnetoóptico provoca una diferencia en la velocidad de la luz LHCP y RHCP, lo que a su vez produce un cambio en el ángulo de polarización. Los materiales que presentan esta propiedad se conocen como birrefringentes .

A partir de esta rotación, podemos calcular la diferencia en componentes de velocidad ortogonales, hallar la permitividad anisotrópica, hallar el vector de giro y calcular el campo magnético aplicado ^{[ 1 ].}${\displaystyle \mathbf {H} }$.

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

• Norma Federal 1037C y de MIL-STD-188
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