Учёные из Университета Карнеги–Меллон зафиксировали необычный магнитный отклик, который меняет устоявшиеся представления об эффекте Холла – фундаментальном принципе, на котором основано изучение электрических и магнитных свойств материалов. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Materials, расширяют понимание этого явления и могут привести к созданию более простых и универсальных магнитных датчиков.
Эффект, открытый Эдвином Холлом в 1879 году, заключается в следующем: если к проводнику с током приложить магнитное поле перпендикулярно его плоскости, движущиеся заряды отклоняются к одному из краёв. Это создаёт измеряемое напряжение, которое позволяет определить ключевые характеристики материала. Датчики на основе этого эффекта широко применяют в технике – от автомобилей до компьютерных клавиатур.
Долгое время считалось, что эффект Холла проявляется только при перпендикулярном магнитном поле. Однако группа физиков под руководством доцента Симранджит Сингха экспериментально доказала, что аномальный холловский отклик возникает и в том случае, если магнитное поле направлено параллельно плоскости материала, то есть «в плоскости». Ранее такая возможность была предсказана лишь теоретически.
Открытие даёт физикам новый инструмент для исследования многомерных магнитных и топологических структур. На практике это позволит создавать сверхтонкие приборы, способные измерять магнитные поля сразу по нескольким осям. Сейчас для векторной магнитометрии требуется несколько отдельных датчиков.
Чтобы провести эксперимент, исследователи создали гетероструктуру – соединение двух материалов на атомном уровне. Они взяли теллурид тантала-иридия (TaIrTe4), чья кристаллическая структура обладает необходимой симметрией, и уменьшили его толщину до нескольких атомных слоев. Затем его совместили с магнитным слоем теллурида хрома-германия (Cr2Ge2Te6). За счёт тесного контакта немагнитный TaIrTe4 приобрёл магнитные свойства, сохранив свои исходные электронные характеристики.
Теоретическая модель, предложенная доцентом Шубхаю Чаттерджи, показала, что при соединении материалов снижается симметрия кристалла. Это приводит к возникновению на границе слоёв дополнительного спин-орбитального взаимодействия, которое и вызывает «плоскостной» эффект Холла. Сейчас команда изучает другие комбинации материалов и проверяет работу устройства при комнатной температуре, что необходимо для его практического применения.
