Изследователи от Университета „Карнеги-Мелън“ откриха необичаен магнитен отговор, който опровергава дългогодишното предположение относно ефекта на Хол – фундаментален принцип, използван за изучаване на електрическите и магнитните свойства на материалите. Резултатите от изследването, публикувани в списанието Nature Materials разширяват разбирането за ефекта на Хол и в бъдеще могат да доведат до създаването на по-прости и гъвкави магнитни сензори за електрониката, транспорта и медицинската визуализация.

Преосмисляне на вековния физичен ефект

Учените разчитат на ефекта на Хол вече повече от век. През 1879 година Едвин Хол открива, че при прилагане на магнитно поле перпендикулярно на материала, по който тече електрически ток, движещите се заряди се изместват встрани. Това създава напрежение, което изследователите могат да измерят. Този сигнал разкрива важна информация за материала, включително дали токът се пренася от положителни или отрицателни заряди, колко носители на заряд присъстват и колко лесно могат да се движат. Датчиците на Хол в момента се използват широко в технологиите – от автомобили до компютърни клавиатури.

Изследователи от Факултета по физика на Карнеги-Мелън, работещи в Лабораторията за изследване на квантови материали, интерфейси и устройства (LIQUID) сега демонстрираха друга форма на този ефект.

„Дълго време се смяташе, че ефектът на Хол действа само когато магнитното поле е перпендикулярно на равнината на фолиото. Ние показахме, че това не е така – отговор може да се получи и при поле, разположено в равнина.“

каза Симранджит Сингх, доцент в катедрата по физика

Резултатът показва, че ефектът на Хол, свързан с намагничеността, може да възниква в повече от една посока. Това дава на физиците нов начин за изследване на многомерни магнитни и топологични структури в кондензирани среди.

„Освен фундаменталното си значение, това откритие може да позволи създаването на нови планарни архитектури на устройства и видове сензори, като например векторна магнитометрия, чрез измерване на сигналите от аномалния ефект на Хол в равнината и извън нея в едно и също устройство.“

добави Сингх От предсказанието до експеримента

По-рано учените теоретично бяха предсказали планарния аномален ефект на Хол, но до тази работа нито един експеримент не беше успял да го демонстрира успешно.

„Хората предлагаха това, идеите съществуваха, но беше много трудно да се създаде магнитен материал с подходяща симетрия за целта. Намерихме материал с нужната симетрия и го направихме магнитен.“

обясни Сингх

Създаването на наноразмерни устройства, необходими за експеримента, изискваше опит в областта на двумерните квантови материали. Изследователската група започна с иридиев и танталов телурид (TaIrTe4). Кристалната му структура притежава симетрията, необходима за поддържане на многомерния ефект на Хол. Изследователите са изтънили материала до дебелина от само няколко атомни слоя, след което са го поставили в непосредствена близост до магнитен слой от Cr₂Ge₂Te₆ (CGT).

Поради близкото разположение на слоевете магнитното поведение на CGT оказва влияние върху обикновено немагнитния TaIrTe₄. Това придава на TaIrTe4 магнитни свойства, като същевременно запазва основните му електронни характеристики.

Едно устройство, няколко магнитни направления

Вътре в атомно тънките устройства изследователите откриха както познатия сигнал на Хол, така и втори, нетрадиционен сигнал, свързан с намагнитването, разположена в равнината на материала. Тази разлика има потенциално важно практическо значение. Едно ултратънко устройство може да открива магнитни полета по повече от една ос. По този начин изследването сочи към създаването на системи за магнитно сондиране, способни да извършват измервания в няколко посоки, без да е необходимо използването на отделни сензори за всяка от тях.

Обяснение на необичайния ефект на Хол

Наред с експериментите Шубхай Чатерджи, доцент в катедрата по физика използва теоретично моделиране, за да разбере защо възниква този ефект и как симетрията на обединените материали го прави възможен.

„Установихме, че намалената симетрия, дължаща се на комбинацията с CGT, позволява допълнителна спин-орбитална връзка на границата на разделяне. Тези елементи на спин-орбиталната връзка са от решаващо значение за възникването на плоскостен аномален ефект на Хол, когато CGT става феромагнитен при ниски температури. Въпреки че някои характеристики на наблюдавания сигнал на аномалния ефект на Хол съответстват на вътрешен произход, за точното определяне на механизма е необходима подробна характеристика на тънкослойния TaIrTe4.“

обясни Чатърджи

Екипът на LIQUID в момента изследва допълнителни комбинации от материали, които могат да дадат същия нетрадиционен отклик на Хол. Изследователите тестват също така поведението на устройството при стайна температура, което ще бъде важно изискване, ако технологията в крайна сметка намери практическо приложение.