Физический эффект, существовавший 100 лет, работает не так, как предполагалось

Фото из открытых источников

Эффект Холла связан с тем, как электрические токи и магнитные поля взаимодействуют в определенных ситуациях — он полезен в широком спектре технологий, где необходимо обнаруживать магнетизм, в том числе в чехлах-книжках для телефонов.

Хотя об этом эффекте было известно с тех пор, как физик Эдвин Холл открыл его в 1879 году, исследователи из Университета Карнеги-Меллона в США теперь обнаружили, что он не обязательно должен работать так, как ученые всегда предполагали.

Магнитная версия этого явления, известная как аномальный эффект Холла, также может быть вызвана собственной намагниченностью материала.

Новое исследование показывает, что эта намагниченность не обязательно должна быть направлена в одну конкретную сторону – она гораздо более универсальна, как сообщает исследовательская группа в статье, опубликованной в журнале Nature Materials.

«Долгое время считалось, что эффект Холла работает только тогда, когда магнитное поле приложено перпендикулярно плоскости пленки», — говорит физик Симранджит Сингх из Университета Карнеги-Меллона. «Мы показали, что это не так — отклик можно получить и тогда, когда поле находится в плоскости».

Это сдвиг в мышлении, который уже теоретически предполагался ранее, но никогда не демонстрировался в двумерной системе, подобной той, которую создали исследователи.

Эти теории были использованы в качестве основы для создания специальной атомной структуры, состоящей из сверхтонкого слоя материала теллурида тантала-иридия (TaIrTe4) в сочетании с магнитным слоем CGT (Cr2Ge2Te6).

Такое сочетание структур оказалось достаточным для того, чтобы «просачиваться» магнетизм в немагнитный слой, одновременно уменьшая некоторые присущие материалу симметрии, которые в противном случае ограничивали бы возможность создания эффекта Холла.

«Люди предлагали это, и идеи были, но создать магнитный материал с нужной симметрией для этого очень сложно», — говорит Сингх. «Мы нашли материал с нужной симметрией и сделали его магнитным».

Это значительный прорыв в понимании фундаментального эффекта в физике. В более практическом плане, большой успех может быть достигнут в области магнитных датчиков, где один датчик сможет заменить более сложные установки.

Иными словами, одно сверхтонкое устройство потенциально сможет обнаруживать магнитные поля вдоль нескольких осей, а не только вдоль одной.

«Это наглядно демонстрирует возможности создания атомно-точных гетероструктур из возникающих двумерных квантовых материалов для получения электронных и магнитных свойств по запросу», — говорит физик Джоти Каточ из Университета Карнеги-Меллона.

Также было проведено некоторое теоретическое моделирование, чтобы дополнить лабораторные эксперименты и объяснить, почему исследователи получили именно такие результаты.

Модели показали, что различные электронные эффекты, такие как спин-орбитальная связь (когда движение электрона связано с его спином) и магнитные обменные взаимодействия, могут объяснить наблюдаемый отклик, но для точного подтверждения этого потребуются дальнейшие исследования.

Есть и более широкие последствия. Все материалы обладают определенной внутренней симметрией, но исследования показывают, что сочетание материалов может нарушать и изменять эти симметрии полезным образом – и квантовые компьютеры потенциально могут стать одной из областей, которая от этого выиграет.

Однако на данный момент это лишь небольшой эксперимент, проводимый в очень специфических лабораторных условиях, включая криогенные температуры. Следующим шагом для исследователей станет проверка альтернативного эффекта Холла на более широком диапазоне материалов, при температурах, близких к комнатной.

«Наши результаты показывают потенциал для создания регулируемых эффектов Холла путем контроля симметрии кристалла и обменных взаимодействий на границах раздела», — пишут исследователи. «Наша работа открывает возможности для будущих исследований других топологических материалов с низкой симметрией с целью создания новых явлений квантового транспорта для спинтронных и электронных устройств следующего поколения».