Физики обнаружили, что эффект Холла работает не так, как считалось более 100 лет
Физики впервые экспериментально показали в двумерной системе, что аномальный эффект Холла может возникать даже тогда, когда намагниченность направлена вдоль поверхности материала. Ранее такой поперечный электрический отклик обычно связывали с намагниченностью, направленной перпендикулярно поверхности. Новый результат показывает, что направление эффекта можно изменить, управляя симметрией материала.
Эффект Холла известен с 1879 года. Если через проводник проходит электрический ток, а к нему приложено магнитное поле, движущиеся заряды отклоняются в сторону. В результате между противоположными краями проводника возникает напряжение. На этом явлении работают многочисленные датчики магнитного поля, используемые в электронике, автомобилях и промышленном оборудовании.
В магнитных материалах существует аномальный эффект Холла, который может возникать за счёт собственной намагниченности вещества. В тонких материалах такой эффект обычно наблюдается, когда намагниченность имеет составляющую, направленную перпендикулярно поверхности. Команда Университета Карнеги — Меллона показала, что при определённом строении материала поперечное напряжение появляется и при намагниченности вдоль его поверхности.
Для эксперимента исследователи создали многослойную наноструктуру из теллурида тантала-иридия TaIrTe₄ и магнитного материала Cr₂Ge₂Te₆. TaIrTe₄ относится к топологическим материалам с низкой кристаллической симметрией, а соседний слой Cr₂Ge₂Te₆ придаёт системе магнитные свойства.
Когда два материала соприкасаются, магнитное влияние Cr₂Ge₂Te₆ распространяется на электронные состояния TaIrTe₄. Одновременно сочетание слоёв изменяет симметрию всей системы. Благодаря этому электрический ток начинает реагировать на составляющую намагниченности, направленную вдоль поверхности образца.
В экспериментах исследователи зарегистрировали как обычный аномальный эффект Холла, связанный с намагниченностью перпендикулярно поверхности, так и дополнительный сигнал, возникающий при намагниченности вдоль неё. В некоторых измерениях новый сигнал по величине был сопоставим с обычным аномальным эффектом Холла.
Зависимость сигнала от направления магнитного поля показала, что его нельзя объяснить небольшим случайным отклонением намагниченности вверх или вниз относительно поверхности. Эффект действительно был связан с компонентой намагниченности, направленной вдоль материала.
Необычный сигнал также зависел от температуры. При нагреве примерно до 61 K, когда Cr₂Ge₂Te₆ терял ферромагнитные свойства, дополнительный эффект исчезал. Это подтвердило его связь с магнитным состоянием соседнего слоя.
Исследователям удалось изменять величину эффекта и с помощью электрического напряжения на управляющем электроде. Такой способ позволяет настраивать электрический отклик материала без изменения его структуры.
Расчёты связывают результат с сочетанием спин-орбитального и обменного взаимодействий на границе двух материалов. Спин-орбитальное взаимодействие связывает движение электронов с их собственным магнитным моментом, а пониженная симметрия структуры позволяет появиться поперечному электрическому отклику при новом направлении намагниченности.
Один из возможных вариантов применения связан с магнитными датчиками. Для определения магнитного поля по нескольким направлениям сейчас часто требуется несколько чувствительных элементов разной ориентации. Материалы с подобным эффектом в будущем могут позволить измерять несколько компонентов магнитного поля одним сверхтонким устройством.
Пока результат получен только в специально изготовленных наноструктурах при низкой температуре. Исследователи планируют проверить другие сочетания двумерных материалов и выяснить, можно ли получить такой же эффект при температурах, близких к комнатной.
Исследование в журнале Nature Materials.