Nowe spojrzenie na stare zjawisko
Zespół z Institute of Science Tokyo po raz pierwszy zaobserwował gigantyczny anomalny efekt Halla w materiale całkowicie niemagnetycznym. To odkrycie podważa fundamentalne założenie, że zjawisko to występuje wyłącznie w materiałach magnetycznych. Wyniki badań opublikowano w Physical Review Letters. Wróćmy jednak do początku. Standardowy efekt Halla, odkryty przez Edwina Halla w XIX wieku, polega na powstawaniu napięcia w poprzek przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny w polu magnetycznym. Jego anomalna odmiana do tej pory była kojarzona wyłącznie z materiałami wykazującymi właściwości magnetyczne.
Czytaj też: Historyczny sukces obalił podstawowy dogmat chemii. Przypadkowo stworzyli wodorek złota!
Nasze badanie jest pierwszym, które eksperymentalnie potwierdza, że Anomalny Efekt Halla może być ilościowo wykryty w materiałach niemagnetycznych przy użyciu pól magnetycznych w płaszczyźnie – wyjaśnia Masaki Uchida, główny autor badania
Kluczem do sukcesu okazało się zastosowanie zaawansowanej techniki epitaksji z wiązek molekularnych do wytworzenia wysokiej jakości cienkich warstw materiału Cd3As2. Badacze wykorzystali płaskie pole magnetyczne, co pozwoliło na izolację i obserwację efektu w zupełnie nowych warunkach.
Niespodzianka związana z namagnesowaniem orbitalnym
Największym zaskoczeniem było odkrycie, że źródłem zaobserwowanego zjawiska nie jest spin elektronów – jak dotychczas sądzono – ale ich namagnesowanie orbitalne. To fundamentalna zmiana w rozumieniu mechanizmów kwantowych odpowiedzialnych za anomalny efekt Halla. Półmetale Diraca, do których należy badany materiał, charakteryzują się niezwykłymi właściwościami kwantowymi. Elektrony w tych strukturach zachowują się jak cząstki bezmasowe, osiągając prędkości bliskie prędkości światła. Pod wpływem pola magnetycznego dochodzi do transformacji punktów Diraca w punkty Weyla, co umożliwia wyizolowanie sygnału anomalnego efektu Halla.
Czytaj też: Pobili rekord precyzji. Sensacyjny wynik pomiarów mas wskazuje na nową fizykę
Spodziewamy się, że te wyniki przyspieszą zarówno badania podstawowe nad fizyką leżącą u podstaw, jak i badania stosowane nad urządzeniami wykorzystującymi Anomalny Efekt Halla – podsumowuje Masaki Uchida
Odkrycie japońskich naukowców otwiera teoretyczne możliwości tworzenia nowej generacji urządzeń elektronicznych. Czujniki Halla wykorzystujące ten efekt w materiałach niemagnetycznych mogłyby teoretycznie działać wydajniej i w szerszym zakresie warunków niż obecne rozwiązania. Jednocześnie badacze przyznają, że potrzebne są dalsze badania nad innymi materiałami kwantowymi. Institute of Science Tokyo planuje kontynuację prac.