Учёные научились обнаруживать скрытые магнитные сигналы в обычных металлах с помощью света

Оптические измерения Холла в кремниевой пластине. Автор: Паз Рот

Группа учёных разработала новый мощный метод обнаружения слабых магнитных сигналов в обычных металлах, таких как медь, золото и алюминий, используя только свет и инновационную технику. Их исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications, может привести к прорывам в различных областях — от смартфонов до квантовых вычислений.

Долгая загадка: Почему мы не видим оптический эффект Холла?

Более века учёные знали, что электрические токи искривляются в магнитном поле — явление, известное как эффект Холла. В магнитных материалах, таких как железо, этот эффект силён и хорошо изучен. Но в обычных немагнитных металлах, таких как медь или золото, он гораздо слабее.

Теоретически, родственное явление — оптический эффект Холла — должно помогать учёным визуализировать поведение электронов при взаимодействии света и магнитных полей. Однако на видимых длинах волн этот эффект оставался слишком слабым для обнаружения. Научный мир знал о его существовании, но не имел инструментов для его измерения.

«Это было похоже на попытку услышать шёпот в шумной комнате на протяжении десятилетий», — сказал профессор Амир Капуа. «Все знали, что шёпот существует, но у нас не было достаточно чувствительного микрофона, чтобы его услышать».

Решение загадки: взгляд на невидимое

Под руководством кандидата наук Надава Ам Шалома и профессора Амира Капуа из Института электротехники и прикладной физики Еврейского университета, в сотрудничестве с профессором Бинхаем Яном из Института Вейцмана, Университета штата Пенсильвания и профессором Игорем Рожанским из Манчестерского университета, исследование сосредоточено на сложной задаче в физике: как обнаружить крошечные магнитные эффекты в материалах, не обладающих магнитными свойствами.

«Вы можете считать такие металлы, как медь и золото, магнитно "тихими" — они не прилипают к вашему холодильнику, как железо», — объяснил профессор Капуа. «Но на самом деле, при определённых условиях, они реагируют на магнитные поля — просто чрезвычайно слабо».

Усиление «магнитных шёпотов»

Для решения этой проблемы исследователи усовершенствовали метод, называемый магнито-оптическим эффектом Керра (MOKE), который использует лазер для измерения того, как магнетизм изменяет отражение света. Представьте, что вы используете мощный фонарик, чтобы уловить слабейший блик на поверхности в темноте.

(a) Аналогия между обычным эффектом Холла, AHE, MOKE и OHE. (b) Экспериментальная установка Ferris MOKE. Врезка: иллюстрация линий магнитного поля одиночного магнита. (c) Схематическое изображение индуцированной поперечной поляризации в x из-за линейно поляризованного оптического поля в y и внешнего магнитного поля Bz. (d) Измеренные временные профили Bzt,l для l=1, 3 и 5 мм. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61249-4

Почему это важно: Когда шум становится сигналом

Эффект Холла — ключевой инструмент в полупроводниковой промышленности и при изучении материалов на атомном уровне: он помогает учёным определить количество электронов в металле. Однако традиционно измерение эффекта Холла требует физического подключения крошечных проводов к устройству — процесс трудоёмкий и сложный, особенно при работе с нанометровыми компонентами. Новый подход гораздо проще: он требует лишь освещения электрического устройства лазером — без проводов.

Углубившись в исследование, команда обнаружила, что кажущийся случайным «шум» в их сигнале вовсе не был случайным. Вместо этого он следовал чёткой схеме, связанной с квантовым свойством, называемым спин-орбитальным взаимодействием, которое связывает движение электронов с их спином — ключевым поведением в современной физике.

«Это как обнаружить, что шум на радио — не просто помехи, а кто-то шепчет ценную информацию», — сказал кандидат наук Ам Шалом. «Теперь мы используем свет, чтобы "услышать" эти скрытые сообщения от электронов».

Перспективы: Новое окно в мир спина и магнетизма

Эта методика предлагает неинвазивный, высокочувствительный инструмент для исследования магнетизма в металлах — без необходимости использования массивных магнитов или криогенных условий. Её простота и точность могут помочь инженерам создавать более быстрые процессоры, энергоэффективные системы и датчики с беспрецедентной точностью.

«Это исследование превращает почти 150-летнюю научную проблему в новую возможность», — сказал профессор Капуа. «Интересно, что даже Эдвин Холл, один из величайших учёных, открывший эффект Холла, пытался измерить его с помощью светового луча, но безуспешно. В заключительном предложении своей знаменитой статьи 1881 года он пишет: "Я думаю, что если бы действие серебра было бы в десять раз слабее, чем у железа, эффект был бы обнаружен. Никакого такого эффекта не наблюдалось" (E. Hall, 1881). Настроившись на нужную частоту — и зная, где искать, — мы нашли способ измерить то, что когда-то считалось невидимым».

Дополнительная информация: A sensitive MOKE and optical Hall effect technique at visible wavelengths: insights into the Gilbert damping, Nature Communications (2025).

Источник: Hebrew University of Jerusalem