Il y a 180 ans, une expérience a démontré pour la première fois un lien entre la lumière et l’électromagnétisme – mais le lien est plus profond que nous le pensions
Illustration de l'expérience de Faraday montrant comment la lumière est polarisée par un champ magnétique
En 1845, le physicien Michael Faraday a fourni la première preuve directe du lien entre l’électromagnétisme et la lumière. Il s’avère maintenant que ce lien est encore plus fort que ce que Faraday avait imaginé.
Dans son expérience, Faraday a projeté de la lumière à travers un morceau de verre mélangé à de l'acide boracique et de l'oxyde de plomb et immergé dans un champ magnétique. Il découvre que cela altère la lumière : lorsqu'elle sort du verre, sa polarisation a été réorientée.
La lumière est une onde électromagnétique, et depuis 180 ans, il est largement admis que cet « effet Faraday » démontre que l’interaction combinée du champ magnétique, des charges électriques dans le verre et de la composante électrique de la lumière entraîne une rotation de l’onde lumineuse – se tortillant dans une direction différente de celle qu’elle avait avant de pénétrer dans le matériau.
Étonnamment peut-être, on a longtemps supposé que la composante magnétique de la lumière ne jouait en réalité aucun rôle dans l’effet Faraday. Amir Capua et Benjamin Assouline de l’Université hébraïque de Jérusalem en Israël ont montré que ce n’est pas nécessairement toujours le cas.
« Il existe une deuxième partie de la lumière dont nous comprenons maintenant qu'elle interagit avec les matériaux », explique Capua.
Capua dit qu'il y a deux raisons pour lesquelles les chercheurs n'ont pas approfondi l'idée selon laquelle la composante magnétique de la lumière joue un rôle dans l'effet Faraday. Premièrement, les forces magnétiques au sein de matériaux tels que le verre de Faraday semblent relativement faibles par rapport aux forces électriques. Deuxièmement, lorsque des matériaux comme le verre de Faraday sont magnétisés – ce qui signifie que les spins quantiques de leurs éléments constitutifs interagissent avec n’importe quel champ magnétique comme le feraient de minuscules aimants – ces spins sont généralement désynchronisés avec la composante magnétique des ondes lumineuses, ce qui suggère que les deux n’interagissent pas fortement.
Mais Capua et Assouline ont réalisé que lorsque la composante magnétique de la lumière est polarisée circulairement – essentiellement en tourbillon ou en forme de tire-bouchon – elle peut interagir beaucoup plus intensément avec les spins magnétiques du verre. Ils ont conclu que cela se produit même sans effort particulier pour manipuler la lumière, car sa composante magnétique est toujours composée de plusieurs ondes en tire-bouchon.
Les calculs des deux chercheurs ont révélé que si l'expérience de Faraday était répétée avec un matériau magnétique appelé Terbium Gallium Garnet (TGG) au lieu du verre, cette interaction magnétique pourrait en réalité représenter 17 % de l'effet Faraday résultant lorsque la lumière visible traverse le matériau. Si la lumière infrarouge traversait le matériau TGG, l’interaction magnétique représenterait jusqu’à 70 % de l’effet Faraday résultant.
Igor Rozhansky, de l'Université de Manchester, au Royaume-Uni, affirme que les nouveaux calculs sont convaincants et laissent entrevoir des tests expérimentaux plausibles dans le futur. La composante magnétique de l'effet Faraday, jusqu'ici négligée, pourrait offrir aux chercheurs une nouvelle façon de manipuler les spins à l'intérieur des matériaux, explique Rozhansky. Il ajoute que la question reste ouverte de savoir si cet effet pourrait réellement être plus fort que l'effet Faraday traditionnel dans certains matériaux.
Les expériences futures permettront d'appliquer les nouvelles découvertes de la physique fondamentale, et Capua dit qu'il peut déjà imaginer comment la découverte selon laquelle les spins magnétiques de certains matériaux peuvent interagir avec la composante magnétique de la lumière pourrait être utilisée pour les manipuler. Cela pourrait éventuellement ouvrir la voie à de nouveaux types de capteurs et de disques durs basés sur la rotation.
