Учени откриха нов ефект на Хол

Ваня Милева Последна промяна на 04 септември 2026 в 00:00 95 0

устройство, демонстриращо нова форма на ефекта на Хол

Кредит Carnegie Mellon
Сканирано с атомно-силов микроскоп наномащабно устройство, създадено от учени от Карнеги Мелън, демонстриращо нова форма на ефекта на Хол

Изследователи са открили необичаен магнитен отговор, който оспорва дългогодишните предположения за ефекта на Хол, фундаментален принцип, използван за изучаване на електрическите и магнитните свойства на материалите.

Констатациите на учени от университета Карнеги Мелън, публикувани в списанието Nature Materials, надграждат научните познания за ефекта на Хол и биха могли да доведат до по-прости и по-гъвкави магнитни сензори за електроника, транспорт и медицинско изобразяване.

Преразглеждане на един стар физически ефект

Учените разчитат на ефекта на Хол повече от век. През 1879 г. Едуин Хол открива, че когато магнитно поле се прилага перпендикулярно на материал, през който протича електрически ток, движещите се заряди се изместват настрани. Това създава напрежение, което изследователите могат да измерят.

Този сигнал разкрива важна информация за материала, включително дали токът се пренася от положителни или отрицателни заряди, колко носители на заряд има и колко лесно могат да се движат. Сензорите на Хол сега се използват широко в технологиите, от автомобили до компютърни клавиатури.

Ефект на Хол

Класическият ефект на Хол се състои в появата в проводник с ток I, поставен в магнитно поле B, на електрическо поле E в посока, перпендикулярна на I и B.

За разлика от класическия, квантовият ефект на Хол се наблюдава в проводници, чиято дебелина d е изключително малка и сравнима с междуатомното разстояние. В такива проводници, наречени двумерни електронни системи, постъпателното движение на електрона по оста z е невъзможно и следователно движението на електрона е двумерно в равнината (x, y). Типичен пример за двумерна електронна система, в която се наблюдава квантовият ефект на Хол, е структура метал–изолатор–полупроводник, образувана от слоеве метал и полупроводник, разделени от слой диелектрик.

Дробният квантов ефект на Хол (FQHE) е физичен феномен, при който проводимостта на Хол на двумерни (2D) електрони показва прецизно квантувани плата при дробни стойности на e²/h, където e е зарядът на електрона, а h е константата на Планк. Това е свойство на колективно състояние, в което електроните свързват линиите на магнитния поток, за да направят нови квазичастици, а възбужданията имат дробен елементарен заряд и вероятно също дробна статистика. Дробно заредените квазичастици (1\3, 2\5, 3\7...) не са нито бозони, нито фермиони. Определени дробни квантови фази на Хол изглежда имат подходящи свойства за изграждане на топологичен квантов компютър.

Квантовото спиново състояние на Хол е състояние на материята, за което се предполага, че съществува в специални, двумерни полупроводници, които имат квантувана спин-Хол проводимост и изчезваща заряд-Хол проводимост. Квантовото спиново състояние на Хол е братовчед на целочисленото квантово състояние на Хол и не изисква прилагането на силно магнитно поле. 

Аномалният ефект на Хол (AHE) е явление, при което в материал, през който протича електрически ток, се развива напречно напрежение (напрежение на Хол), дори при липса на външно магнитно поле. Този ефект е различен от обикновения ефект на Хол, който изисква външно магнитно поле. AHE обикновено се наблюдава във феромагнитни материали поради присъщото им намагнитване, което причинява отклонение на носителите на заряд.

Изследователи от катедрата по физика на университета Карнеги Мелън, работещи в Лабораторията за изследване на квантови материали, интерфейси и устройства (LIQUID - Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices), сега демонстрират друга форма на този ефект.

"Дълго време се смяташе, че ефектът на Хол работи само когато магнитно поле се прилага перпендикулярно на равнината на филма. Ние показахме, че това не е така – отговор може да се получи и с поле в същата равнина", посочва Симранджит Сингх (Simranjeet Singh), доцент по физика.

Резултатът показва, че реакцията на Хол, свързана с намагнитването, може да се прояви в повече от една посока. Това предоставя на физиците нов начин за изучаване на многомерни магнитни и топологични структури в кондензираната материя.

"Освен фундаменталното си значение, това откритие би могло да даде възможност за нови архитектури на планарни устройства и типове сензори, като например векторна магнитометрия, чрез измерване на аномални сигнали на ефекта на Хол в равнината и извън равнината в едно и също устройство", добавя Сингх.

От прогноза до експеримент

Поският аномален ефект на Хол теоретично е предсказан отдавна, но преди тази работа нито един експеримент не е успял да го демонстрира успешно.

"Хората го бяха предложили, идеите съществуваха, но беше много трудно да се създаде магнитен материал с правилната симетрия за него. Намерихме материал с правилната симетрия и го направихме магнитен", обяснява Сингх.

Създаването на наномащабните устройства, необходими за експеримента, Сингх работи с Джьоти Каточ (Jyoti Katoch), доцент по физика, специализирана в създаването на устройства от от двуизмерни квантови материали.

Изследователски екип започва с иридиев танталов телурид (TaIrTe4), чиято кристална структура притежава симетрията, необходима за поддържане на многомерния ефект на Хол. Изследователите изтъняват материала до дебелина само на няколко атомни слоя и след това го поставят до магнитен слой Cr2Ge2Te6 (CGT).

Поради близкото разстояние между слоевете, магнитното поведение на CGT влияе върху нормално немагнитния TaIrTe4. Това придава на TaIrTe4 магнитни свойства, като същевременно запазва основните си електронни характеристики.

"Това наистина демонстрира силата на създаването на атомно прецизни хетероструктури от нови 2D квантови материали, за да се постигнат електронни и магнитни свойства при поискване", отбеляза Каточ.

Едно устройство, множество магнитни посоки

Вътре в тънки няколко атома устройства, изследователите откриват както познатия сигнал на Хол, така и втори, нетрадиционен сигнал, свързан с намагнитването на материала в равнината.

Това разграничение има потенциално важни практически последици: едно ултратънко устройство може да открива магнитни полета по повече от една ос.

"Разширихме потенциалните приложения на тези материали. Многомерното магнитно измерване вече може да се извършва с помощта на един сензор. Преди това бяха необходими два сензора за измерване на магнитни полета в двете посоки", обяснява Сингх.

По този начин, работата сочи към създаването на магнитни сензорни системи, способни да извършват измервания в няколко посоки, без да е необходимо използването на отделни сензори за всяка от тях.

Обяснение на необичайния отговор на Хол

Наред с експериментите, Шубхаю Чатерджи (Shubhayu Chatterjee), асистент в катедрата по физика, използва теоретично моделиране, за да разбере защо се получава този ефект и как симетрията на комбинираните материали го прави възможен.

"Открихме, че намалената симетрия, дължаща се на свързването с CGT, позволява допълнителни спин-орбитални свързващи членове на интерфейса. Тези спин-орбитални свързващи елементи са от решаващо значение за появата на аномалния ефект на Хол в равнината, където CGT става феромагнитен при ниски температури. Въпреки че някои характеристики на наблюдавания аномален сигнал на ефекта на Хол са в съответствие с вътрешен произход, е необходима подробна характеристика на тънкослоен TaIrTe4, за да се определи точно механизмът", обяснява Чатерджи.

Екипът на LIQUID в момента проучва допълнителни комбинации от материали, които биха могли да доведат до подобен нетрадиционен отговор на Хол. Изследователите също така тестват поведението на устройството при стайна температура, което ще бъде важно изискване, ако технологията в крайна сметка ще бъде използвана на практика.

Справка: I-Hsuan Kao et al, In-plane anomalous Hall effect in a low-dimensional system, Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02611-9

Източник: CMU Physicists Take Hall Effect in a New Direction, Carnegie Mellon

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !