光の磁気成分がファラデー効果に寄与、180年の通説に理論的挑戦

2025年11月19日に学術誌『Scientific Reports』で発表された新たな研究は、光と物質の相互作用に関する根源的な理解に一石を投じるものです。この研究は、光を構成する電場成分だけでなく、その磁気成分もファラデー効果の発生に決定的な役割を果たしていることを理論的に初めて証明しました。長年にわたり、ファラデー効果は主に光の電場と物質との相互作用として解釈されてきましたが、今回の発見は、光の振動する磁場が物質内の磁気スピンと直接的に関与し、偏光回転に寄与するという、1845年の発見以来の科学的確信を覆すものです。

ヘブライ大学エルサレム校のアミール・カプア博士とベンジャミン・アッソウリン氏らが主導したこの研究は、光と物質の相互作用における磁気的側面を定量化しました。具体的には、標準的な磁気光学結晶であるテルビウム・ガリウム・ガーネット（TGG）を用いた場合、赤外線スペクトル領域では光の磁気成分が回転の最大70%を占め、可視光スペクトルでは約17%に寄与するというデータが示されました。TGGは、その高いベルデ定数と熱伝導率から、ファラデー回転子や光アイソレーターの標準材料として、400nmから1100nmの波長域で広く利用されています。

ファラデー効果は、静磁場中に置かれた物質を直線偏光が通過する際に、その偏光面が磁場強度に比例して回転する現象として知られています。今回の研究結果は、光の磁気成分が第一次の効果としてファラデー過程に積極的に関与しており、光が物質と磁気的に「通信」していることを示唆しています。これは、従来のモデルが光の電場寄与のみを過大評価し、磁気的影響を看過していた可能性を示唆するものです。

この理論的進展は、基礎物理学における重要な転換点を示唆するだけでなく、先端技術分野への広範な影響を予期させます。特に、光と磁気の相互作用を精密に制御する技術、例えばスピントロニクスや光ベースの磁気制御技術への応用が期待されます。TGGに代わる新材料としてフッ化テルビウムカリウム（KTF）が注目される中、今回の発見は、これらのデバイスの設計原理そのものに新たな最適化の余地をもたらす可能性があります。ヘブライ大学は、アルベルト・アインシュタインが設立を支持し、遺産を寄贈した歴史を持つイスラエルの国立大学です。

光の磁気成分がファラデー回転に与える影響を定量的に示すことは、光と物質の相互作用に関する既存の理論モデルの再評価を促します。この知見は、スピンベースの量子コンピューティングなど、次世代の光・磁気統合技術における理論的基盤を強化し、より効率的で高性能なデバイス開発への道筋を開くものと評価されます。