Головна > Наука

Фізики виявили новий різновид ефекту Холла в надтонких матеріалах

Сьогодні,   13:49    208

Фізики з Університету Карнегі-Меллона виявили несподівану форму ефекту Холла, яка суперечить давньому уявленню про те, як електронні матеріали реагують на магнітні поля. Вони експериментально зафіксували так звану «внутрішньоплощинну» (in-plane) аномальну холлівську відповідь, що може відкрити шлях до компактних сенсорів, здатних вимірювати магнітні поля одразу в кількох напрямках. Про роботу повідомляє SciTechDaily.

Фізики виявили новий різновид ефекту Холла в надтонких матеріалах

Що таке ефект Холла і чому це відкриття незвичне

Ефект Холла відомий з 1879 року, коли Едвін Холл показав: якщо до провідника з електричним струмом прикласти магнітне поле перпендикулярно до нього, рухомі заряди відхиляються, і поперек зразка виникає вимірювана напруга. За цим сигналом можна визначити, чи несуть струм електрони чи «дірки», оцінити концентрацію носіїв заряду та те, наскільки легко вони рухаються в матеріалі.

Сьогодні сенсори на основі ефекту Холла використовують у безлічі пристроїв — від автомобільних систем до клавіатур. Утім, класичне уявлення було таким: для появи ефекту Холла магнітне поле має бути перпендикулярним до площини плівки або кристалу.

Команда з лабораторії LIQUID (Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices) у відділі фізики Карнегі-Меллона показала, що це не обов’язково. Вони продемонстрували холлівську відповідь, яка залежить від намагніченості, навіть коли магнітне поле лежить у площині матеріалу.

Останні новини:  У США знайшли перші сліди дорослого тиранозавра – їм 66,5 мільйона років

Магнітне поле в площині та багатовимірне зондування

Нове спостереження розширює можливості використання ефекту Холла: тепер зрозуміло, що магнітно-залежний холлівський сигнал може виникати більш ніж в одному напрямку. Це дає змогу вивчати складні магнітні та топологічні структури в конденсованих середовищах, використовуючи той самий базовий феномен, але для різних напрямків магнітного поля.

За словами авторів, така поведінка може лягти в основу нових планарних архітектур пристроїв і сенсорів, зокрема векторних магнітометрів, які вимірюють компоненти магнітного поля одразу по кількох осях у межах одного елемента.

Як теорію перетворили на експеримент

Можливість існування внутрішньоплощинного аномального ефекту Холла раніше обговорювали теоретично, але донині її не вдавалося переконливо підтвердити в експерименті. Ключова складність полягала в пошуку матеріалу з «правильною» кристалічною симетрією, який ще й можна зробити магнітним.




Команда, до якої увійшли Сімранджіт Сінгх (Simranjeet Singh), Джйоті Каточ (Jyoti Katoch), постдокторанти Ай-Шуань Као (I-Hsuan Kao) та Раві Кумар (Ravi Kumar) й інші колеги, почала з матеріалу тантал-іридій-телуриду TaIrTe4. Його кристалічна структура має симетрію, придатну для реалізації багатовимірного ефекту Холла.

Останні новини:  Науковці попередили про небезпеку масштабного будівництва сонячних станцій у пустелях

Дослідники зменшили TaIrTe4 до кількох атомних шарів завтовшки, а потім поєднали його з магнітним шаром Cr2Ge2Te6 (CGT). Оскільки шари розташовані на атомній відстані, магнітний стан CGT «передається» на зазвичай немагнітний TaIrTe4. У результаті останній набуває магнітних властивостей, зберігаючи при цьому свої особливі електронні характеристики.

Автори підкреслюють, що це демонструє потенціал атомарно точних гетероструктур з двовимірних квантових матеріалів, які дозволяють «налаштовувати» електронні та магнітні властивості за потреби.

Один надтонкий пристрій — кілька осей магнітного поля

У створених надтонких пристроях команда зафіксувала одразу два типи сигналів: звичайний холлівський сигнал і додатковий, незвичний, пов’язаний з намагніченістю в площині матеріалу. Це означає, що один і той самий нанометровий елемент може виявляти магнітні поля вздовж більш ніж однієї осі.

Раніше для вимірювання магнітного поля в двох напрямках зазвичай потрібні були два окремі сенсори. Тепер же потенційно можна реалізувати багатовимірне магнітне зондування в одному пристрої, що спрощує конструкцію сенсорних систем.

Останні новини:  Вчені знайшли тварину, яка відновлює свою пошкоджену ДНК

Чому виникає незвичний сигнал

Щоб пояснити походження нового ефекту, теоретичне моделювання виконав Шубгаю Чаттерджі (Shubhayu Chatterjee). Він дослідив, як змінюється симетрія системи, коли TaIrTe4 поєднують з CGT, і як це відкриває шлях до появи внутрішньоплощинної аномальної холлівської відповіді.

Розрахунки показали, що зменшення симетрії на межі поділу шарів дозволяє виникнути додатковим термінам спін-орбітальної взаємодії. Саме ці терміни виявилися критичними для появи внутрішньоплощинного аномального ефекту Холла, коли CGT переходить у феромагнітний стан за низьких температур.

Частина спостережених особливостей сигналу узгоджується з «внутрішнім» (інтринсичним) механізмом ефекту, але, як зазначають автори, потрібна детальніша характеристика тонкошарового TaIrTe4, щоб остаточно з’ясувати точний механізм.

Наступний крок — до практичних сенсорів

Команда LIQUID вже досліджує інші поєднання матеріалів, які можуть проявляти подібну незвичну холлівську поведінку. Окремо вчені перевіряють, як новий тип пристрою працює за кімнатної температури.

Якщо вдасться досягти сильного та стабільного сигналу за звичайних умов, це стане важливим кроком до створення практичних багатовимірних магнітних сенсорів для електроніки, транспорту, медичної візуалізації та інших застосувань.

Фізики виявили новий різновид ефекту Холла в надтонких матеріалах з’явилася спочатку на Цікавості.


cikavosti.com