Fizičari na Univerzitetu Karnegi Melon usmeravaju Holov efekat u novom pravcu

Otkriće ruši dugotrajnu pretpostavku i moglo bi pojednostaviti senzore magnetnog polja. Naučnici sa Univerziteta Karnegi Melon otkrili su novi fenomen koji dovodi u pitanje dugotrajnu pretpostavku o tome kako elektronski materijali reaguju na magnetna polja. Ovo otkriće proširuje fundamentalno razumevanje Holovog efekta, principa koji se naširoko koristi za merenje magnetnih i elektronskih svojstava materijala.

Istraživanje bi moglo postaviti temelje za jednostavnije, svestranije tehnologije magnetnih senzora u elektronici, transportu i medicinskom snimanju.

Preporučujemo

Halov efekat je više od jednog veka ključni alat za proučavanje svojstava materijala. Edvin Hol je 1879. godine pokazao da primena magnetnog polja pod pravim uglom na materijal skreće pokretna naelektrisanja, stvarajući merljivi napon.

Analizirajući ovaj signal, naučnici mogu da utvrde da li električnu struju nose negativni ili pozitivni naboji, koliko se tih naboja kreće kroz materijal i koliko lako teku. Danas je Holov efekat integralni deo naširoko korišćenih senzorskih tehnologija u sistemima od automobila do računarskih tastatura.

U najnovijem radu, istraživači sa Odseka za fiziku Univerziteta Karnegi Melon identifikovali su novi oblik Holovog efekta. „Dugo se smatralo da Holov efekat funkcioniše samo kad se magnetno polje primeni pod pravim uglom. Pokazali smo da to nije tačno – reakciju možete dobiti i kad se polje nalazi u ravni“, kažu naučnici.

Ovo otkriće proširuje ulogu Holovog efekta kao suštinskog alata u fizici jer omogućava Holovu reakciju zavisnu od magnetizacije u više od jednog pravca. To omogućava istraživačima da ispituju i razumeju višedimenzionalne magnetne i topološke konfiguracije u sistemima kondenzovane materije.

Pored fundamentalnog značaja, ovo otkriće može omogućiti nove arhitekture planarnih uređaja i tipove senzora, kao što je vektorska magnetometrija, putem merenja signala anomalnog Holovog efekta van ravni i u ravni u istom uređaju.

Od teorije do stvarnosti

Ideja o anomalnom Holovom efektu u ravni je teorijski predložena, ali nikad eksperimentalno demonstrirana – dosad.

„Ljudi su to predlagali, ali je veoma teško napraviti magnetni materijal sa odgovarajućom simetrijom da bi se to izvelo. Pronašli smo materijal sa pravom simetrijom i učinili ga magnetnim“, kažu naučnici.

Počeli su sa tantal-iridijum-teluridom, koji ima neophodnu kristalnu simetriju za proizvodnju višedimenzionalnog Holovog efekta. Stanjili su ga do debljine od nekoliko atomskih slojeva i uparili sa magnetnim slojem CGT. Zbog međusobne blizine slojeva, magnetizam prelazi u nemagnetni sloj, dajući mu magnetna svojstva uz očuvanje njegovih elektronskih karakteristika.

„Ovo demonstrira moć izgradnje atomski preciznih heterostruktura od novih dvodimenzionalnih kvantnih materijala kako bi se dobila željena elektronska i magnetna svojstva“, kažu naučnici.

Unutar ovih atomski tankih uređaja, osmotren je i konvencionalni Holov signal i dodatni, nekonvencionalni signal koji prati magnetizaciju u okviru ravni. U praktičnom smislu, to znači da jedan, ultratanak uređaj sad može da detektuje magnetna polja duž više osa.

„Proširili smo potencijalnu primenu ovih materijala. Možete vršiti višedimenzionalnu magnetnu detekciju pomoću samo jednog senzora. Ranije ste morali postaviti dva senzora da bi se izmerilo magnetno polje u dva pravca“, kažu istraživači.

Kao dopuna eksperimentalnom radu, izvedeno je teorijsko modeliranje radi identifikacije mehanizma iza ovog efekta i objašnjenja kako simetrija u materijalu omogućava ovu neobičnu reakciju.

„Otkrili smo da redukovana simetrija usled uparivanja sa CGT omogućava dodatno spin-orbitalno uparivanje na graničnoj površini. Ovi članovi spin-orbitalnog uparivanja su ključni za pojavu anomalnog Holovog efekta u ravni nakon što CGT postane feromagnetičan na niskim temperaturama. Iako su određene odlike osmotrenog signala anomalnog Holovog efekta u skladu sa intrinsičnim poreklom, potrebna je detaljna karakterizacija višeslojnog tantal-iridijum-telurida da bi se precizno utvrdio tačan mehanizam“, kažu autori.

Trenutno se istražuju drugi sistemi materijala koji bi takođe mogli ispoljiti nekonvencionalnu Holovu reakciju. Proučava se i reakcija uređaja na sobnoj temperaturi, što je važan korak ka primenama u stvarnom svetu.

(Telegraf Nauka/Carnegie Mellon University)