Новый квантовый магнит раскрывает потенциал электроники

Предыдущее изображение Следующее изображение

Некоторые из наших самых важных предметов повседневного обихода, такие как компьютеры, медицинское оборудование, стереосистемы, генераторы и многое другое, работают благодаря магнитам. Мы знаем, что произойдет, когда компьютеры станут более мощными, но что будет возможно, если магниты станут более универсальными? Что, если бы можно было изменить физическое свойство, определяющее удобство использования? Каким инновациям это могло бы способствовать?

Это вопрос, который ученые-исследователи Центра науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института (PSFC) Ханг Чи, Юнбо Оу, Джагадиш Мудера и их соавторы исследуют в новой статье Nature Communications с открытым доступом «Настраиваемая под напряжением кривизна Берри в квазидвухмерных системах». -мерный теллурид хрома».

Чтобы понять масштабы открытия авторов, необходимо совершить короткое путешествие во времени: в 1879 году 23-летний аспирант по имени Эдвин Холл обнаружил, что, когда он поместил магнит под прямым углом к ​​полоске металла, по которой течет ток, через него одна сторона полосы будет иметь больший заряд, чем другая. Магнитное поле отклоняло электроны тока к краю металла - явление, которое в его честь будет названо эффектом Холла.

Во времена Холла классическая система физики была единственной, и такие силы, как гравитация и магнетизм, действовали на материю предсказуемым и неизменным образом. металл и магнит привели к эффекту Холла, точка. Но на самом деле это было не так; теперь мы знаем, что квантовая механика тоже играет свою роль.

Думайте о классической физике как о карте Аризоны, а о квантовой механике — как о поездке на автомобиле по пустыне. Карта предоставляет макроизображение и обобщенную информацию о местности, но она не может подготовить водителя ко всем случайным событиям, с которыми он может столкнуться, например, к броненосцу, перебегающему дорогу. Квантовые пространства, как и путешествие водителя, регулируются другим набором местных правил дорожного движения. Итак, хотя в классической системе эффект Холла индуцируется приложенным магнитным полем, в квантовом случае эффект Холла может возникнуть даже без внешнего поля, и в этот момент он становится аномальным эффектом Холла.

Путешествуя в квантовом мире, каждый обладает знаниями о так называемой «фазе Берри», названной в честь британского физика Майкла Берри. Он служит GPS-регистратором для автомобиля: как будто водитель записал всю свою поездку от начала до конца, и, анализируя историю GPS, можно лучше составить график взлетов и падений или «искривления» пространства. Эта «кривизна Берри» квантового ландшафта естественным образом может смещать электроны в одну сторону, вызывая эффект Холла без магнитного поля, точно так же, как холмы и долины определяют путь автомобиля.

Хотя многие наблюдали аномальный эффект Холла в магнитных материалах, никому не удавалось манипулировать им путем сжатия и/или растяжения — пока авторы статьи не разработали метод, демонстрирующий изменение аномального эффекта Холла и кривизны Берри в необычном магните.

Сначала они взяли основы толщиной полмиллиметра, изготовленные либо из оксида алюминия, либо из титаната стронция (оба являются кристаллами), и вырастили невероятно тонкий слой теллурида хрома, магнитного соединения, поверх оснований. Сами по себе эти материалы мало что дадут; однако в сочетании магнетизм пленки и создаваемый ею интерфейс с основами, на которые она была выращена, заставляли слои растягиваться или сжиматься.

Чтобы углубить понимание того, как эти материалы работают вместе, исследователи в партнерстве с источником нейтронов расщепления Окриджской национальной лаборатории (ORNL) провели эксперименты по рассеянию нейтронов — по сути, взрывая материал выстрелами частиц и изучая, что отскочило назад — чтобы узнать подробнее о химических и магнитных свойствах пленки. Нейтроны были идеальным инструментом для исследования, поскольку они магнитны, но не имеют электрического заряда. Нейтронные эксперименты позволили исследователям построить профиль, который показал, как химические элементы и магнитное поведение менялись на разных уровнях по мере углубления в материал.