Voigt-Effekt

Licht bzw. eine elektromagnetische Welle ist eine Transversalwelle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern, deren Schwingungsebenen senkrecht aufeinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen.

Der Voigt-Effekt tritt auf, wenn diese polarisierte elektromagnetische Welle sich senkrecht zu den magnetischen Feldlinien ausbreitet. Eine polarisierte elektromagnetische Welle kann man auch in Form von zwei senkrecht zueinander stehenden linear polarisierten Wellen beschreiben, man spricht von senkrecht und parallel polarisiertem Anteil; dabei bezieht man sich in der Regel auf den elektrischen Feldvektor E der Welle. Das magnetische Feld bewirkt, dass der Anteil des elektrischen Feldvektors, der parallel zum Magnetfeld schwingt, sich mit einer anderen Phasengeschwindigkeit ausbreitet als der senkrecht schwingende elektrische Feldvektor. Durch die unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten ändert sich der Polarisationszustand der Welle, so wird aus einer linear polarisierten Welle allgemein eine elliptisch polarisierte Welle.

Diese Erscheinung kann durch die Verwendung zweier Brechungsindizes beschrieben werden und wird Doppelbrechung genannt. Bei der normalen Doppelbrechung wird dies durch einen anisotropen Aufbau des durchstrahlten Materials bewirkt. Anders beim Voigt-Effekt: Hier wird die Doppelbrechung durch ein magnetisches Feld verursacht und die Änderung des Brechungsindex n ist proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte B:

${\displaystyle \Delta n\propto B^{2}}$

Für optisch isotrope Materialien gilt:

${\displaystyle \Delta n=n_{\perp }-n_{\|}}$

Die Polarisationsänderung ist weiterhin abhängig von anderen Größen:[6]

${\displaystyle \delta ={\frac {q^{4}N\lambda ^{3}H^{2}l}{4\pi c^{6}n_{0}\left(m_{v}^{*}\right)^{3}}}}$

• ${\displaystyle \delta }$ … Phasenverschiebung der Welle
• ${\displaystyle e}$ … Elementarladung
• ${\displaystyle N}$ … Ladungsträgerkonzentration
• ${\displaystyle \lambda }$ … Wellenlänge
• ${\displaystyle B}$ … magnetische Flussdichte
• ${\displaystyle l}$ … Strecke im Material
• ${\displaystyle c}$ … Lichtgeschwindigkeit?
• ${\displaystyle n_{0}}$ … (komplexer) Brechungsindex des Materials bei der jeweiligen Wellenlänge ohne magnetisches Feld
• ${\displaystyle (m_{v}^{*})^{3}}$ … effektive Voigt-Masse (besitzt eine starke kristallografische Abhängigkeit)

Der Voigt-Effekt wird in sogenannten Voigt-Filtern eingesetzt, einer Art von atomarer Netzfilter. Dabei wird durch den Voigt-Effekt eine Gaszelle zu einer λ/2-Verzögerungsplatte.

• Verdet-Konstante
• Magnetooptischer Kerr-Effekt

1. Woldemar Voigt: Doppelbrechung von im Magnetfeld befindlichem Natriumdampf in der Richtung normal zu den Kraftlinien. In: Nachr. Kgl. Ges. Wiss. Göttingen. 1898, S. 355–359 (Birefringence of sodium vapour in a magnetic field along a direction perpendicular to the lines of force).
2. Woldemar Voigt: Die Fundamentalen Physikalischen Eigenschaften Der Krystalle in Elementarer Darstellung. BiblioBazaar, LLC, 2008, ISBN 978-0-554-79425-9 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
3. A. K. Zvezdin, Anatoliĭ Konstantinovich Zvezdin, Vi︠a︡cheslav Alekseevich Kotov, V. A. Kotov: Modern magnetooptics and magnetooptical materials. CRC Press, 1997, ISBN 0-7503-0362-X, S. 36.
4. Victor Antonov, Bruce Harmon, Alexander Yaresko: Electronic structure and magneto-optical properties of solids. Springer, 2004, ISBN 1-4020-1905-X, S. 56.
5. Štefan Višňovský: Optics in magnetic multilayers and nanostructures. CRC Press, 2006, ISBN 0-8493-3686-4, S. 27.
6. E.D Palik: Anisotropic, free carrier voigt effect in n-type germanium. In: Journal of Physics and Chemistry of Solids. Band 25, Nr. 7, Juni 1964, S. 767–771, doi:10.1016/0022-3697(64)90189-1.