Odkrycie fizyków z Carnegie Mellon University zmienia nasze rozumienie jednego z fundamentów elektromagnetyzmów. Okazuje się, że znany od końca XIX wieku efekt Halla potrafi zaskoczyć i działać w warunkach, które dotychczas uznawano za niemożliwe.
Dla osób niemających na co dzień do czynienia z fizyką, pojęcie „efektu Halla” brzmi dość tajemniczo. W praktyce to zjawisko o ogromnym znaczeniu technologicznym, odpowiadające m.in. za działanie czujników wykrywających pole magnetyczne, takich jak te ukryte w etui z klapką do naszych smartfonów. Zjawisko to, odkryte przez Edwina Halla w 1879 roku, opiera się na specyficznym oddziaływaniu prądu elektrycznego i pola magnetycznego. Przez ponad sto lat naukowcy byli przekonani, że doskonale rozumieją jego zasady. Najnowsze badania opublikowane na łamach „Nature Materials” dowodzą jednak, że czas dopisać do tej historii zupełnie nowy rozdział.
Nowe spojrzenie na magnetyzm i anomalię Halla
Tradycyjne ujęcie zakładało, że magnetyczna wersja tego zjawiska – czyli anomalię Halla wywoływaną własnym namagnesowaniem materiału – można zaobserwować tylko wtedy, gdy pole magnetyczne przyłożono idealnie prostopadle do płaszczyzny folii. Zespół pod kierunkiem fizyków z Uniwersytetu Carnegie Mellon udowodnił jednak, że to reguła, którą można złamać.
Badacze wykazali, że pożądaną odpowiedź można uzyskać również wtedy, gdy pole magnetyczne znajduje się bezpośrednio w płaszczyźnie materiału. Choć sama teoria była rozważana przez teoretyków już wcześniej, nikomu dotąd nie udawało się zademonstrować jej w praktyce w dwuwymiarowym układzie.
Precyzyjna inżynieria materiałowa na poziomie atomowym
Kluczem do sukcesu okazało się stworzenie nietypowej struktury hybrydowej. Naukowcy połączyli ultracienką warstwę tellurku tantalu i irydu ($TaIrTe_4$) z warstwą magnetyczną $Cr_2Ge_2Te_6$ ($CGT$).
Tak precyzyjnie dobrana kombinacja atomowa sprawiła, że magnetyzm „przeciekł” do warstwy niemagnetycznej, a jednocześnie zredukowano wrodzoną symetrię materiału. Jak podkreślają autorzy odkrycia, największym wyzwaniem było znalezienie substancji o odpowiedniej symetrii i nadanie jej właściwości magnetycznych. Eksperyment wsparto zaawansowanym modelowaniem teoretycznym, które wykazało, że za obserwowaną reakcję odpowiadają złożone efekty elektronowe, takie jak sprzężenie spin-orbita.
Nowa era dla czujników i spintroniki
Choć eksperyment przeprowadzono na razie w rygorystycznych warunkach laboratoryjnych – m.in. w temperaturach kriogenicznych – jego potencjalne zastosowania robią ogromne wrażenie.
W przyszłości odkrycie to może utorować drogę do stworzenia kompaktowych czujników magnetycznych zdolnych do wykrywania pól wzdłuż wielu osi jednocześnie, zamiast tylko jednej. Otwiera to również nowe perspektywy dla rozwoju komputerów kwantowych oraz urządzeń spintronicznych i elektronicznych nowej generacji, gdzie kontrolowanie symetrii kryształów i oddziaływań na stykach materiałów stanie się kluczem do projektowania unikalnych właściwości kwantowych.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Materials .