Это значительное открытие расширяет традиционный подход к измерению магнитных и электронных характеристик материалов и может в будущем облегчить разработку магнитных датчиков для электроники, транспорта и медицины.
Эффект Холла известен с 1879 года: Эдвин Холл продемонстрировал, что если пропускать электрический ток через проводящую пластину и приложить магнитное поле перпендикулярно к ней, движущиеся заряды отклоняются, и поперек тока возникает измеримое напряжение. По этому сигналу можно определить, переносится ли электрический ток отрицательными или положительными зарядами, сколько таких зарядов проходит через материал и насколько легко они перемещаются. В настоящее время на эффекте Холла базируется работа множества датчиков, от автомобильной электроники до клавиатур.
Традиционное понимание было простым: чтобы наблюдать эффект Холла, магнитное поле должно быть направлено перпендикулярно к пленке или пластине. Сотрудники лаборатории LIQUID (Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices) при Университете Карнеги-Меллона продемонстрировали, что это не всегда так. «Долгое время считалось, что эффект Холла функционирует только при поле, перпендикулярном пленке. Мы показали, что это неверно — отклик можно получить и при поле в плоскости», — утверждает доцент физики Симранджит Сингх.
Речь идет об «аномальном» эффекте Холла — особом варианте, который связан не только с самим магнитным полем, но и с внутренней намагниченностью материала и его квантовыми характеристиками. Теоретически возможность «плоскостного» аномального эффекта Холла уже обсуждалась, но экспериментально его никто не наблюдал: крайне сложно найти материал с нужной симметрией кристаллической решетки и сделать его магнитным.
Физики нашли решение, применив двумерные квантовые материалы. Команда Сингха и его коллеги, доцента Джйоти Каточ, использовала тантал-иридий-теллурид (TaIrTe₄) — кристалл с подходящей симметрией, — и истончила его до нескольких атомных слоев. Затем этот слой «упаковали» в гетероструктуру вместе с магнитным материалом хром-германий-теллурид (Cr₂Ge₂Te₆ или CGT). Когда эти пленки оказываются в непосредственном контакте друг с другом, магнетизм CGT как будто «просачивается» в немагнитный TaIrTe₄: в нем появляется намагниченность, но при этом сохраняются его уникальные электронные характеристики. «Это наглядно демонстрирует мощь атомарно точных гетероструктур из двумерных материалов: мы можем по запросу получать необходимые электронные и магнитные свойства», — подчеркивает Каточ.
В этих ультратонких устройствах ученые обнаружили сразу два сигнала: обычный холловский и дополнительный, который следует за намагниченностью в плоскости. Фактически один и тот же нанометровый датчик стал чувствительным к магнитному полю сразу по нескольким направлениям. «Теперь можно проводить многомерное магнитное зондирование одним сенсором. Раньше для измерения поля в двух направлениях требовались два датчика», — отмечает Сингх.
В настоящее время команда LIQUID ищет другие материалы, в которых можно реализовать аналогичный необычный отклик, и проверяет работу устройств при комнатной температуре. Это необходимо, чтобы перевести открытие из области фундаментальной физики в практическую плоскость, применив его для создания сенсоров нового поколения — более простых, компактных и чувствительных к магнитным полям в нескольких направлениях одновременно.
Фото: hi-tech.mail.ru