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 llama 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 magneto-óptico, el resultado se llama efecto Faraday : el plano de polarización puede rotar, formando un rotador de Faraday . Los resultados de la reflexión de un material magneto-óptico se conocen como el efecto Kerr magneto-óptico (que no debe confundirse con el efecto Kerr no lineal ).
En general, los efectos magneto-ópticos rompen la simetría de inversión temporal 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 aisladores ópticos (a través de los cuales pasa la luz en una dirección pero no en la otra).
Dos materiales girotrópicos con direcciones de rotación invertidas de las dos polarizaciones principales, correspondientes a tensores ε complejos conjugados para medios sin pérdidas, se denominan isómeros ópticos .
En particular, en un material magneto-óptico la presencia de un campo magnético (ya sea aplicado externamente o porque el material en sí es ferromagnético ) puede causar un cambio en el tensor de permitividad ε del material. El ε se vuelve anisotrópico, una matriz 3×3, con componentes complejos fuera de la diagonal, dependiendo de la frecuencia ω de la luz incidente. Si las pérdidas de absorción pueden ser descuidadas, ε es una matriz hermítica . Los ejes principales resultantes también se vuelven complejos, correspondientes a la luz polarizada elípticamente donde las polarizaciones rotatorias hacia la izquierda y hacia la derecha pueden viajar a diferentes velocidades (análogo a la birrefringencia ).
Más específicamente, para el caso en que las pérdidas de absorción se pueden descuidar, la forma más general de ε hermítica es:
o equivalentemente la relación entre el campo de desplazamiento D y el campo eléctrico E es:
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 denomina eje de giro del material. En primer orden, g es proporcional al campo magnético aplicado :
donde es la susceptibilidad magneto-óptica (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 magneto-óptica (algo análogo a un efecto Pockels cuya fuerza 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 , y los otros dos valores propios de son idénticos. Entonces, si dejamos que g esté en la dirección z para simplificar, el tensor ε se simplifica a la forma:
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 (donde μ es la permeabilidad magnética ). Esta diferencia en las velocidades de fase conduce al efecto Faraday.
Para la luz que se propaga de forma puramente perpendicular al eje de giro, las propiedades se conocen como efecto Cotton-Mouton y se utilizan para un circulador .
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 entre el eje mayor y el eje menor de la elipse trazada por la luz polarizada elípticamente en el plano por el que 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:
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.
Esto se puede entender mejor si consideramos una onda de luz que está 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 perderán la diferencia de fase de 90 grados (necesaria para la polarización circular), lo que cambiará 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 zurda (LHCP) y luz polarizada circular diestra (RHCP). La anisotropía de la permitividad del material magnetoóptico provoca una diferencia en la velocidad de la luz LHCP y RHCP, lo que provocará un cambio en el ángulo de la luz polarizada. Los materiales que presentan esta propiedad se conocen como birrefringentes .
A partir de esta rotación, podemos calcular la diferencia en los componentes de velocidad ortogonales, encontrar la permitividad anisotrópica, encontrar el vector de giro y calcular el campo magnético aplicado [1] .
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