В рамках реализации Мегагранта под руководством ведущего ученого, доктора физ.-мат. наук Белотелова В.И. сотрудники лаборатории функциональных материалов для квантовых устройств Физико-технического института занимаются исследованием магнитооптических эффектов, которые приводят к взаимодействию оптических и магнитных состояний. Это позволяет создавать эффективные инструменты для широкого круга приложений, включая визуализацию магнитных паттернов и управление светом на гигагерцовых и даже терагерцовых частотах.

Эффект Фарадея — наиболее известный магнитооптический эффект, который представляет собой вращение линейной поляризации света при его распространении через намагниченную среду. На сегодняшний день большинство исследований магнитооптических эффектов были ограничены использованием оптических волн с плоским волновым фронтом. Такие пучки способны нести только спиновый угловой момент, который может принимать только два значения +1 и -1 (на фотон в единицах постоянной Планка), которые соответствуют правой и левой циркулярной поляризации.

Нашей научной группой впервые проведено исследование эффекта Фарадея в созданных в Физико-техническом институте пленках феррит-гранта для так называемых вихревых оптических пучков, которые дополнительно способны переносить орбитальный угловой момент произвольного целого значения (на фотон в единицах постоянной Планка). Удалось экспериментально показать существование топологического эффекта Фарадея – зависимость поворота линейной поляризации в магнитных пленках от топологического заряда, радиального числа и величины перетяжки оптических вихрей. В результате теоретического анализа установлено, что в основе эффекта лежит взаимодействие между поляризацией и орбитальным моментом, которое возникает при дифракции оптического вихря в оптически анизотропной среде. Более того, мы показываем, что такое спин-орбитальное взаимодействие приводит к модификации фундаментальной фазы Гуи для вихревых состояний.

Проведенное исследование показало перспективность использования вихревых лазерных пучков для исследования различных магнитных состояний, включая спиновые волны и магнитные вихри. Кроме того, зависимость эффекта Фарадея от топологического заряда намекает на существование обратного эффекта, связанного с влияние орбитального момента на спины в магнитных материалах.

Результаты наших исследований только что опубликованы в одном из самых престижных международных научных рецензируемых журналов по физике Physical Review Letters (https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.166901). Приятно отметить, что данная статья была особо отмечена советом редакторов журнала как «Editors’ Suggestion» – оценка, которой удостаивается в среднем одна из шести принятых публикаций работ.