|
Физики используют эффект Холла в новом направлении
|
|
|
|
Ученые из Университета Карнеги-Меллона обнаружили новое явление, которое бросает вызов давнему предположению о том, как электронные материалы реагируют на магнитные поля. Это открытие расширяет фундаментальное понимание эффекта Холла, принципа, широко используемого для измерения магнитных и электронных свойств материалов.
|
|
|
|
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Materials, могут заложить основу для более простых и универсальных технологий магнитного зондирования, используемых в электронике, транспорте и медицинской визуализации.
|
|
|
|
Эффект Холла уже более ста лет является ключевым инструментом для изучения свойств материалов. В 1879 году Эдвин Холл показал, что приложение магнитного поля, перпендикулярного материалу, отклоняет движущиеся заряды, создавая измеримое напряжение. Анализируя этот сигнал, ученые могут определить, переносится ли электрический ток отрицательными или положительными зарядами, сколько из этих зарядов проходит через материал и насколько легко они протекают.
|
|
|
|
Сегодня эффект Холла является неотъемлемой частью широко используемых сенсорных технологий, используемых в системах, начиная от автомобилей и заканчивая компьютерными клавиатурами.
|
|
|
|
|
|
|
В своей последней работе исследователи физического факультета Карнеги-Меллона, работающие в лаборатории по исследованию квантовых материалов, интерфейсов и устройств (LIQUID), выявили новую форму эффекта Холла.
|
|
|
|
«Долгое время считалось, что эффект Холла проявляется только тогда, когда магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости плёнки. Мы показали, что это не так — отклик можно получить и в том случае, когда поле направлено в плоскости плёнки», — говорит Симранджит Сингх, доцент кафедры физики.
|
|
|
|
Это открытие расширяет возможности использования эффекта Холла в качестве основного инструмента в физике, поскольку позволяет регистрировать зависящий от намагниченности отклик эффекта Холла более чем в одном направлении. Это даёт исследователям возможность изучать и понимать многомерные магнитные и топологические конфигурации в системах конденсированных сред.
|
|
|
|
«Помимо фундаментальной значимости, это открытие может привести к появлению новых архитектур планарных устройств и типов датчиков, таких как векторная магнитометрия, за счёт измерения сигналов аномального эффекта Холла, направленных в плоскости и вне плоскости плёнки, в одном и том же устройстве», — говорит Сингх.
|
|
От теории к практике
|
|
|
|
Идея об аномальном эффекте Холла, направленном в плоскости плёнки, была предложена теоретически, но никогда не была продемонстрирована экспериментально — до недавнего времени.
|
|
|
|
«Такие идеи выдвигались, но очень сложно создать магнитный материал с нужной симметрией, — говорит Сингх. — Мы нашли материал с нужной симметрией и сделали его магнитным».
|
|
|
|
Для создания уникальных устройств нанометрового размера, использованных в этом исследовании, Сингх обратился к Джиоти Катоху, доценту физики и эксперту по изготовлению устройств из двумерных квантовых материалов. Команда, в которую вошли исследователи-постдокторанты Айсуан Као и Рави Кумар, начала с теллурида тантала и иридия (TaIrTe4), обладающего необходимой кристаллической симметрией для получения многомерного эффекта Холла. Они разделили его на несколько атомных слоев и соединили с магнитным слоем Cr2Ge2Te6 (CGT).
|
|
|
|
Из-за близости слоев друг к другу магнетизм проникает в немагнитный слой, придавая ему магнитные свойства, сохраняя при этом его электронные характеристики.
|
|
|
|
"Это действительно демонстрирует мощь создания атомарно точных гетероструктур из новых двумерных квантовых материалов для получения необходимых электронных и магнитных свойств", - сказал Катох.
|
|
|
|
В этих атомарно тонких устройствах команда исследователей наблюдала как обычный сигнал Холла, так и дополнительный, нетрадиционный сигнал, который следует за намагничиванием в плоскости. На практике это означает, что одно сверхтонкое устройство теперь может обнаруживать магнитные поля вдоль нескольких осей.
|
|
|
|
"Мы расширили возможности применения этих материалов", - сказал Сингх. "Вы можете выполнять многомерное магнитное зондирование только с помощью одного датчика. Раньше для измерения магнитного поля в двух направлениях требовалось два датчика».
|
|
|
|
В дополнение к экспериментальной работе Шубхаю Чаттерджи, доцент кафедры физики, провел теоретическое моделирование, чтобы выявить механизм, лежащий в основе этого эффекта, и объяснить, как симметрия материала обеспечивает столь необычный отклик.
|
|
|
|
«Мы обнаружили, что снижение симметрии из-за образования спаренных атомов с CGT приводит к дополнительному спин-орбитальному взаимодействию на границе раздела. Эти спин-орбитальные взаимодействия играют ключевую роль в возникновении аномального эффекта Холла в плоскости, когда CGT становится ферромагнетиком при низких температурах. Хотя некоторые особенности наблюдаемого аномального эффекта Холла указывают на его внутреннюю природу, для точного определения механизма необходима детальная характеристика малослойного TaIrTe4», — сказал Чаттерджи.
|
|
|
|
Команда проекта LIQUID изучает другие материалы, которые также могут демонстрировать необычный отклик в виде эффекта Холла. Кроме того, они исследуют работу устройства при комнатной температуре, что является важным шагом на пути к его практическому применению.
|
|
|
|
Источник
|
