Напряжение перпендикулярно току
Когда электрический ток течет через металлическую полосу, электроны перемещаются с одной стороны на другую.
Если рядом с этой полоской поместить магнит, на электроны действует сила – так называемая сила Лоренца. Путь электронов через металлическую полоску уже не прямой, она немного изогнута.
Следовательно, теперь на одной стороне металлической полосы больше электронов, чем на другой, и это создает напряжение – перпендикулярное направлению, в котором течет ток. Это классический эффект Холла, известный уже много лет.
«Измерение силы эффекта Холла – один из способов определения характеристик материалов в нашей лаборатории», – говорит проф.
Силке Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела Венского технического университета. "Вы можете многое узнать о поведении электронов в твердом состоянии из такого эксперимента."Когда Сами Дзабер, который работал над своей диссертацией в исследовательской группе Бюлер-Пашен, исследовал материал Ce3Bi4Pd3, он очень серьезно отнесся к своей задаче и также провел измерения без магнитного поля. «На самом деле, это необычная идея, но в данном случае это был решающий шаг», – говорит Силке Бюлер-Пашен.
Измерение показало, что материал демонстрирует эффект Холла даже без внешнего магнитного поля – и не просто нормальный эффект Холла, а огромный.
В обычных материалах эффект Холла такой силы может быть произведен только с помощью огромных электромагнитных катушек. «Поэтому нам пришлось ответить на другой вопрос», – говорит Силке Бюлер Пашен. «Если эффект Холла возникает без внешнего магнитного поля, возможно, мы имеем дело с чрезвычайно сильными локальными магнитными полями, которые возникают в микроскопическом масштабе внутри материала, но больше не могут ощущаться снаружи??"
Поэтому исследования проводились в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии: с помощью мюонов – элементарных частиц, которые особенно хорошо подходят для исследования магнитных явлений, – материал был изучен более тщательно. Но оказалось, что магнитное поле невозможно обнаружить даже в микроскопическом масштабе. «Если нет магнитного поля, то нет и силы Лоренца, которая могла бы действовать на электроны в материале – но, тем не менее, эффект Холла был измерен. Это действительно замечательно », – говорит Силке Бюлер-Пашен.
Симметрия – вот что важно
Объяснение этого странного явления кроется в сложном взаимодействии электронов. «Атомы этого материала расположены в соответствии с очень специфической симметрией, и эти симметрии определяют так называемое соотношение дисперсии – то есть соотношение между энергией электронов и их импульсом. Дисперсионное соотношение говорит нам, насколько быстро может двигаться электрон, когда он имеет определенную энергию », – говорит Бюлер-Пашен. «Также важно отметить, что здесь нельзя смотреть на электроны по отдельности – между ними существует сильное квантово-механическое взаимодействие."
Это сложное взаимодействие приводит к явлениям, которые математически выглядят так, как будто в материале есть магнитные монополи.е. одиночные северный и южный полюса, которых в природе не существует в таком виде. «Но на самом деле это оказывает влияние очень сильного магнитного поля на движение электронов», – говорит Бюлер-Пашен.
Эффект уже был предсказан теоретически для более простых материалов, но никто не смог его доказать. Прорыв произошел с исследованием нового класса материалов: «Наш материал с химическим составом Ce3Bi4Pd3 характеризуется особенно сильным взаимодействием между электронами», – поясняет Бюлер-Пашен. "Это известно как эффект Кондо.
Это заставляет эти фиктивные магнитные монополи иметь именно ту энергию, которая очень сильно влияет на электроны проводимости в материале. Это причина того, что эффект более чем в тысячу раз превышает теоретически предсказанный."
Новый гигантский спонтанный эффект Холла имеет определенный потенциал для квантовых технологий следующего поколения. В этом поле, например, важны невзаимные элементы, которые создают зависящее от направления рассеяние полностью без внешнего магнитного поля; они могли быть реализованы с этим эффектом. «Чрезвычайно нелинейное поведение материала также представляет большой интерес», – говорит Силке Бюлер-Пашен. "Тот факт, что сложные многочастичные явления в твердых телах открывают неожиданные возможности для применения, делает эту область исследований особенно захватывающей."