Ученые опровергли столетнее предположение в физике, открыв новый эффект Холла

Сканирование атомно-силовым микроскопом наноразмерного устройства, созданного учеными Карнеги-Меллона, демонстрирующего новую форму эффекта Холла. Credit: Carnegie Mellon

Исследователи из Университета Карнеги-Меллона обнаружили необычный магнитный отклик, который опровергает давнее предположение об эффекте Холла — фундаментальном принципе, используемом для изучения электрических и магнитных свойств материалов.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Materials, расширяют понимание эффекта Холла и в перспективе могут привести к созданию более простых и гибких магнитных датчиков для электроники, транспорта и медицинской визуализации.

Пересмотр столетнего физического эффекта

Ученые полагаются на эффект Холла уже более века. В 1879 году Эдвин Холл обнаружил, что при приложении магнитного поля перпендикулярно материалу, по которому течет электрический ток, движущиеся заряды смещаются в сторону. Это создает напряжение, которое исследователи могут измерить.

Этот сигнал раскрывает важную информацию о материале, включая то, переносится ли ток положительными или отрицательными зарядами, сколько носителей заряда присутствует и насколько легко они могут двигаться. Датчики Холла сейчас широко используются в технологиях — от автомобилей до компьютерных клавиатур.

Исследователи с физического факультета Карнеги-Меллона, работающие в Лаборатории исследования квантовых материалов, интерфейсов и устройств (LIQUID), теперь продемонстрировали другую форму этого эффекта.

«Долгое время считалось, что эффект Холла работает только тогда, когда магнитное поле приложено перпендикулярно плоскости пленки. Мы показали, что это не так — отклик можно получить и при поле, лежащем в плоскости», — сказал Симранджит Сингх, доцент кафедры физики.

Результат показывает, что холловский отклик, связанный с намагниченностью, может возникать более чем в одном направлении. Это дает физикам новый способ исследования многомерных магнитных и топологических структур в конденсированных средах.

«Помимо фундаментальной важности, это открытие может позволить создать новые планарные архитектуры устройств и типы датчиков, такие как векторная магнитометрия, путем измерения сигналов аномального эффекта Холла в плоскости и вне плоскости в одном и том же устройстве», — добавил Сингх.

От предсказания к эксперименту

Ранее ученые теоретически предсказывали плоскостной аномальный эффект Холла, но до этой работы ни один эксперимент не смог успешно его продемонстрировать.

«Люди предлагали это, идеи существовали, но очень трудно создать магнитный материал с правильной симметрией для этого. Мы нашли материал с нужной симметрией и сделали его магнитным», — пояснил Сингх.

Создание наноразмерных устройств, необходимых для эксперимента, потребовало опыта в области двумерных квантовых материалов. Сингх работал с Джйоти Каточ, доцентом физики, специализирующимся на создании устройств из таких материалов.

Исследовательская группа, включая постдокторантов И-Сюань Као и Рави Кумара, начала с теллурида иридия и тантала (TaIrTe4). Его кристаллическая структура обладает симметрией, необходимой для поддержки многомерного эффекта Холла. Исследователи уменьшили материал до толщины всего в несколько атомных слоев, а затем поместили его рядом с магнитным слоем Cr2Ge2Te6 (CGT).

Из-за близкого расположения слоев магнитное поведение CGT влияет на обычно немагнитный TaIrTe4. Это придает TaIrTe4 магнитные свойства, сохраняя при этом его основные электронные характеристики.

«Это действительно демонстрирует мощь создания атомарно точных гетероструктур из новых двумерных квантовых материалов для получения электронных и магнитных свойств по требованию», — отметила Каточ.

Одно устройство, несколько магнитных направлений

Внутри атомарно тонких устройств исследователи обнаружили как знакомый сигнал Холла, так и второй, нетрадиционный сигнал, связанный с намагниченностью, лежащей в плоскости материала.

Это различие имеет потенциально важное практическое следствие. Одно ультратонкое устройство может обнаруживать магнитные поля более чем по одной оси.

«Мы расширили потенциальное применение этих материалов. Теперь можно проводить многомерное магнитное зондирование с помощью одного датчика. Раньше для измерения магнитного поля в двух направлениях требовалось два датчика», — сказал Сингх.

Таким образом, работа указывает на создание систем магнитного зондирования, способных выполнять измерения в нескольких направлениях без необходимости использования отдельных датчиков для каждого из них.

Объяснение необычного холловского отклика

Наряду с экспериментами, Шубхаю Чаттерджи, доцент кафедры физики, использовал теоретическое моделирование, чтобы выяснить, почему возникает этот эффект и как симметрия объединенных материалов делает его возможным.

«Мы обнаружили, что пониженная симметрия из-за сочетания с CGT допускает дополнительную спин-орбитальную связь на границе раздела. Эти члены спин-орбитальной связи имеют решающее значение для возникновения плоскостного аномального эффекта Холла, когда CGT становится ферромагнитным при низких температурах. Хотя некоторые особенности наблюдаемого сигнала аномального эффекта Холла согласуются с внутренним происхождением, для точного определения механизма необходима детальная характеризация малослойного TaIrTe4», — объяснил Чаттерджи.

Команда LIQUID сейчас исследует дополнительные комбинации материалов, которые могут дать такой же нетрадиционный холловский отклик. Исследователи также тестируют поведение устройства при комнатной температуре, что станет важным требованием, если технология в конечном итоге найдет применение на практике.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Карнеги-Меллона. Оригинал написан Эми Павлак Лэрд.

I-Hsuan Kao, Ravi Kumar Bandapelli, Zhenhong Cui, Shuchen Zhang, Jian Tang, Tiema Qian, Souvik Sasmal, Aalok Tiwari, Mei-Tung Chen, Raghvendra Posti, Rahul Rao, Jiahan Li, James H. Edgar, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ni Ni, Su-Yang Xu, Qiong Ma, Shubhayu Chatterjee, Jyoti Katoch, Simranjeet Singh. In-plane anomalous Hall effect in a low-dimensional system. Nature Materials, 2026; DOI: 10.1038/s41563-026-02611-9