패러데이 효과
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1. 개요
패러데이 효과는 빛이 자기장의 영향을 받아 편광면이 회전하는 현상이다. 마이클 패러데이는 1845년 이 현상을 발견했으며, 편광된 빛이 자기력 방향으로 유리를 통과할 때 편광이 회전하는 것을 관찰했다. 이 효과는 선형 편광된 빛을 우원 편광과 좌원 편광의 중첩으로 해석하며, 자기장 내에서 각 편광 성분의 속도 차이로 인해 발생한다. 패러데이 효과는 물질의 종류와 자기장의 세기, 빛의 경로 길이에 따라 회전각이 달라지며, 베르데 상수로 표현된다.
이 효과는 광 아이솔레이터, 자기장 측정, 초전도체 연구 등 다양한 분야에 응용된다. 또한, 성간 매질, 전리층, 반도체, 유기 물질 등 다양한 물질에서도 관찰되며, 특히 천문학에서 자기장 측정에 중요한 역할을 한다.
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| 패러데이 효과 | |
|---|---|
| 패러데이 효과 | |
| 분야 | 물리학, 광학, 전자기학 |
| 발견자 | 마이클 패러데이 |
| 발견일 | 1845년 |
| 관련 현상 | 자기장 편광 광학 활성 패러데이 회전자 |
| 개요 | |
| 설명 | 자기장 내에서 빛의 편광면이 회전하는 물리 광학 현상 |
| 원리 | 자기장 내에서 빛의 진행 방향과 평행하게 자기장이 걸리면, 빛의 편광면이 회전함 자기장의 세기와 매질의 특성에 따라 회전 각도가 결정됨 |
| 특징 | 매질의 종류에 따라 편광면 회전 방향이 달라짐 (반자성체와 강자성체) 패러데이 효과는 전자기파에 적용 가능 |
| 응용 | |
| 응용 분야 | 자기장 측정 광섬유 통신에서 광 격리기 및 광 스위치 센서 및 분광기 자기 광학 기억 장치 (예: MO 디스크) 광학 재료 특성 분석 고체 물리학에서 물질의 전자 구조 연구 |
| 역사 | |
| 발견 | 1845년 마이클 패러데이가 처음으로 발견 패러데이의 실험은 편광된 빛이 강한 자기장 내에서 진행할 때 편광면이 회전한다는 것을 보여줌 패러데이는 이 현상을 자기장이 빛에 영향을 미치는 첫 번째 증거로 여김 |
| 초기 연구 | 패러데이의 발견 이후, 여러 과학자들이 패러데이 효과의 이론적 이해를 발전시킴 로렌츠 등의 과학자들이 전자기학 이론을 바탕으로 패러데이 효과를 설명 |
| 이론 | |
| 이론적 설명 | 빛의 편광 상태가 물질 내에서 자기장에 의해 변화 전자기파의 진행 속도가 자기장 방향에 따라 달라짐 편광된 빛은 좌우 원형 편광의 중첩으로 볼 수 있으며, 자기장 내에서 이 두 편광 성분의 속도 차이로 인해 편광면이 회전 |
| 페러데이 회전 각도 | 페러데이 회전각(θ)는 다음과 같은 수식으로 표현됨: θ = V * B * l V : 베르데 상수(매질에 따라 결정) B : 자기장 세기 l : 빛이 통과하는 매질의 길이 |
| 베르데 상수 | 베르데 상수는 물질의 자기 광학 특성을 나타내는 상수 물질의 종류, 빛의 파장, 온도 등에 따라 달라짐 |
| 상세 설명 | |
| 작용 원리 | 페러데이 효과는 빛과 물질의 상호작용에 기반 자기장 내에서 물질의 전자 구조가 변화하고, 이로 인해 빛의 편광이 회전 빛의 편광은 전기장 벡터의 진동 방향을 의미 |
| 편광면 회전 | 자기장이 존재하지 않으면, 편광된 빛은 편광면이 유지되며 진행 자기장이 존재하면, 편광된 빛의 편광면이 자기장 방향에 따라 회전 |
| 자기 광학 매체 | 페러데이 효과가 나타나는 매질을 자기 광학 매체라고 함 유리, 결정, 반도체, 강자성 물질 등이 사용됨 |
| 관련 효과 | |
| 케르 효과 | 전기장 내에서 물질의 굴절률이 변하는 현상 |
| 포켈스 효과 | 전기장에 비례하여 물질의 굴절률이 변하는 현상 |
| 제만 효과 | 자기장 내에서 원자 스펙트럼 선이 분리되는 현상 |
| 참고 문헌 | |
2. 역사
오귀스탱-장 프레넬, 에티엔느-루이 말뤼스 등의 연구를 통해, 적절한 방향으로 배향된 다양한 물질이 빛의 편광 방향을 변화시킬 수 있다는 것이 알려져 있었다.[4] 마이클 패러데이는 빛이 전자기 현상이라고 확신했고, 전자기력의 영향을 받을 것이라고 생각했다. 그는 전기광학 효과를 통해 전기력이 빛의 편광에 미치는 영향을 찾고자 했으나, 당시 실험 방법으로는 성공하지 못했고, 30년 후 존 커에 의해 발견되었다.[5]
패러데이 효과에서 회전하는 것으로 보이는 선형 편광된 빛은 우원 편광과 좌원 편광의 중첩으로 볼 수 있다. (중첩 원리는 물리학의 많은 분야에서 기본적이다.) 각 성분(우원 편광 또는 좌원 편광)의 효과를 개별적으로 살펴보고 이것이 결과에 어떤 영향을 미치는지 알아볼 수 있다.
투명한 물질에서 편광의 회전각과 자기장 사이의 관계는 다음과 같다.
패러데이는 이후 여러 물질을 통과하는 빛에 대한 자기력의 영향을 조사했다. 그는 여러 번의 실패 끝에 실리카, 붕산, 산화납을 포함하는 "중질" 유리 조각을 사용해 실험에 성공했다.[6] 패러데이는 편광된 빛이 자기력 방향으로 유리를 통과할 때 빛의 편광이 회전하는 것을 관찰했다. 그는 니콜 프리즘을 사용하여 편광을 측정했다. 이후 더 강력한 전자석을 통해 여러 고체, 액체, 기체에서 이 효과를 재현했다.[5]
이 발견은 패러데이의 일일 노트에 기록되어 있다.[7] 1845년 9월 13일, 그는 "'''그러나''', 반대되는 자극이 같은 쪽에 있을 때, ''편광된 광선에 영향을 미치는 효과가 있었고'', 따라서 자기력과 빛이 서로 관련이 있다는 것이 증명되었습니다."라고 적었다.[7] 1845년 9월 30일, 그는 "자기 곡선 또는 힘의 선을 비추고 빛의 광선을 자화하는 데 성공했습니다."라고 기록했다.[7]
3. 물리적 해석
원편광된 빛에서는 전기장의 방향이 빛의 주파수로 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전한다. 물질 내에서 이 전기장은 물질을 구성하는 대전 입자에 힘을 작용한다(질량 대 전하 비율이 크기 때문에 전자가 가장 큰 영향을 받는다). 따라서 발생하는 운동은 원형이 되며, 원형으로 움직이는 전하는 외부 자기장에 더하여 자체적인 자기장을 생성한다. 따라서 두 가지 경우가 있다. 생성된 장은 한 가지 (원형) 편광에 대해서는 외부 장과 평행하고, 다른 편광 방향에는 반대 방향이 된다. 따라서 순 B장은 한 방향으로는 증가하고 반대 방향으로는 감소한다. 이는 각 빔의 상호 작용 역학을 변화시키며, 한 빔은 다른 빔보다 더 느려지게 되어 좌원 편광과 우원 편광 사이에 위상차가 발생한다. 이 위상 이동 후 두 빔을 더하면 결과는 다시 선형 편광 빔이지만 편광 벡터가 회전한다.
편광 회전 방향은 빛이 통과하는 물질의 특성에 따라 달라진다.
4. 수학적 표현
:
여기서
양의 베르데 상수는 진행 방향이 자기장과 평행할 때 L-회전(반시계 방향)에, 진행 방향이 반평행일 때 R-회전(시계 방향)에 해당한다. 따라서 빛의 광선을 물질을 통과시킨 후 다시 반사시키면 회전각이 두 배가 된다.
테르븀 갈륨 가넷(TGG)과 같은 일부 물질은 매우 높은 베르데 상수를 갖는다. 이러한 물질의 막대를 강한 자기장에 놓으면 0.78 rad(45°) 이상의 파라데이 회전각을 얻을 수 있다. 이를 통해 파라데이 회전자를 구성할 수 있는데, 이것은 파라데이 절연체의 주요 구성 요소이며, 한 방향으로만 빛을 전달하는 장치이다.
4. 1. 베르데 상수
파라데이 효과에 의한 선광도 α는 자기장의 세기 H, 편광이 통과하는 물질의 길이 l로 하여 다음과 같이 표현된다.
:α = V H l
여기서 V는 물질의 종류와 편광의 파장, 온도에 의존하는 상수이며, '''베르데 상수'''라고 불린다.
5. 응용
패러데이 효과는 광 아이솔레이터(광통신 시스템에서 레이저 광원의 안정성을 유지하고, 반사광에 의한 잡음을 줄이는 데 사용되는 소자)에 사용된다. 편광을 투과시키는 물질로는 석류석(가넷)이 사용된다.[1]
또한, 패러데이 효과를 이용하여 특정 장소의 자기장 세기를 측정할 수 있다. 이 방법을 통해 전기 회로에 전류계를 내장하지 않고도 자기장을 발생시키고 있는 전류를 측정할 수 있다.[1]
5. 1. 광 아이솔레이터
광 아이솔레이터는 빛을 한 방향으로만 통과시키고 반대 방향의 빛을 차단하는 장치로, 패러데이 효과를 이용한다. 광 아이솔레이터는 광통신 시스템에서 레이저 광원의 안정성을 유지하고, 반사광에 의한 잡음을 줄이는 데 사용된다. 편광을 투과시키는 물질로는 높은 베르데 상수를 가진 석류석(가넷)이 사용된다.[1]5. 2. 자기장 측정
패러데이 효과를 이용하면 특정 장소의 자기장 세기를 측정할 수 있다. 전류가 흐르는 도선 주변에는 자기장이 발생하고, 이 자기장에 의해 빛의 편광면이 회전하는 정도를 측정하여 전류의 세기를 간접적으로 알아낼 수 있다. 이 방법을 사용하면 전기 회로에 전류계를 직접 연결하지 않고도 전류를 측정할 수 있다.[1] 또한, 제2종 초전도체의 혼합 상태에서의 자속 양자 관찰에도 사용된다.[1]5. 3. 초전도체 연구
패러데이 효과는 제2종 초전도체의 혼합 상태에서 자속 양자를 관찰하는 데 사용된다.[1]6. 다양한 물질에서의 패러데이 효과
다양한 물질에서 패러데이 효과는 다르게 나타난다.
스핀-궤도 결합 때문에, 불순물이 도핑되지 않은 GaAs 단결정은 유리(SiO2)보다 훨씬 큰 패러데이 회전을 보인다. (100)면과 (110)면을 따라 원자 배열이 다르다는 점을 고려하면 파라데이 회전이 편광에 의존적일 것이라고 생각할 수 있지만, 실험 결과 880~1,600 nm 파장 범위에서 측정 가능한 이방성은 나타나지 않았다. 큰 파라데이 회전을 바탕으로 매우 빠른 응답 시간이 필요한 테라헤르츠 전자기파의 B장을 보정하는 데 GaAs를 사용할 수 있다. 밴드갭 근처에서 파라데이 효과는 공명 현상을 보인다.[17]
일반적으로 (강자성) 반도체는 고주파 영역에서 전기자이레이션과 파라데이 반응을 모두 나타낸다. 이 둘의 조합은 자이로전자기 매질[2]로 설명되는데, 여기서 자이로전기성과 자이로자기성(파라데이 효과)이 동시에 발생할 수 있다.
유기 물질에서 패러데이 회전은 일반적으로 작으며, 가시광선 영역에서의 베르데 상수는 테슬라 미터당 수백 도 정도이고, 이 영역에서 파장의 제곱에 반비례하여 감소한다.[18] 유기 물질의 베르데 상수는 분자 내 전자 전이 주변에서 증가하지만, 관련된 빛 흡수 때문에 대부분의 유기 물질은 응용 분야에 적합하지 않다. 그러나 흡수가 없는 유기 액정에서 큰 패러데이 회전이 관측되었다는 보고도 있다.[19][20]
2009년에는 자성(γ-FeO)과 플라즈모닉(Au) 특성을 하나의 복합체에 통합하기 위해 γ-FeO-Au 코어-쉘 나노구조체가 합성되었다.[21] 플라즈모닉 물질이 있는 경우와 없는 경우의 패러데이 회전을 시험했고, 530nm 파장의 빛 조사 하에서 회전 증강이 관찰되었다. 연구자들은 자기광학적 증강의 크기가 주로 자기광학적 전이와 플라즈몬 공명의 스펙트럼 중첩에 의해 결정된다고 주장한다.
보고된 복합 자성/플라즈모닉 나노구조체는 공진 광학 공진기 안에 자성 입자가 내장된 것으로 시각화될 수 있다. 공진기 내의 광자 상태 밀도가 크기 때문에, 빛의 전자기장과 자성 물질의 전자 전이 사이의 상호 작용이 증강되어, 오른손 및 왼손 원편광의 속도 차이가 커지고, 따라서 패러데이 회전이 증강된다.
6. 1. 성간매질
성간매질을 통과하는 빛은 자유 전자에 의해 패러데이 효과를 경험한다. 고체나 액체에서와 달리, 성간 패러데이 회전(β)은 빛의 파장(λ)의 제곱에 비례한다.:
여기서 회전 척도(RM)는 성간 자기장의 축 방향 성분 ''B||''과 전자의 수 밀도 ''ne''에 따라 달라진다. 가우스 cgs 단위계에서 회전 척도는 다음과 같다.
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SI 단위계에서는 다음과 같다.
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