Anomaalinen Hall-ilmiön ei-magneettisessa materiaalissa

Japanilaiset tutkijat ovat raportoineet  anomaalisen Hall-ilmiön (AHE) havaitsemisesta ensimmäistä kertaa ei-magneettisessa materiaalissa.

Moduloimalla materiaalin vyöhykerakennetta tutkimusryhmä eristi AHE:n ja jäljitti sen alkuperän orbitaaliseen magnetoitumiseen eikä spiniin, mikä kyseenalaisti pitkään vallinneet oletukset tiiviin aineen fysiikassa.

Jo viime vuosisadan puolella löydetystä Hall-ilmiöstä tuli nopeasti kuuma puheenaihe alalla ja se johti merkittäviin edistysaskeliin sekä teoreettisella, kokeellisella että käytännön tasolla. Pian Hall-ilmiön löytämisen jälkeen tiedemiehet huomasivat, että magneettisilla materiaaleilla oli samanlainen ilmiö – tästä keksittiin anomaalinen Hall-ilmiö (AHE).

Paljon hämmentävämpi Anomalous Hall-ilmiö on herättänyt fyysikkojen keskuudessa keskustelua vuosikymmeniä sen todellisesta alkuperästä. Jotkut teoreettiset ennusteet ovat jopa vihjanneet, että AHE saattaa olla mahdollinen myös ei-magneettisissa materiaaleissa. Näitä ennusteita ei kuitenkaan ole koskaan vahvistettu kokeellisesti – tähän mennessä.

Äskettäisessä tutkimuksessa apulaisprofessori Masaki Uchidan johtama tutkimusryhmä Institute of Science Tokiosta raportoi ensimmäisestä havainnosta AHE:stä ei-magneettisessa materiaalissa.

Tämän saavuttamiseksi tutkimusryhmä kääntyi Dirac-puolimetallien puoleen. Näillä materiaaleilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia elektronisessa vyöhykerakenteessaan, jota kutsutaan Dirac-pisteiksi. Niissä elektronit käyttäytyvät kuin massattomat hiukkaset. Ulkoisen magneettikentän vaikutuksesta nämä Dirac-pisteet muuttuvat Weyl-pisteiksi symmetrian rikkoutumisen seurauksena, mikä johtaa monimutkaisempaan, suuntaavampaan elektronien käyttäytymiseen. Moduloimalla materiaalin vyöhykerakenteen ominaisuuksia tällä tavalla tutkijat kehittivät strategian, jolla tavallisen Hall-ilmiön vaikutukset peitettiin pois ja keskityttiin yksinomaan AHE:hen.

"Tutkimuksemme on ensimmäinen, joka kokeellisesti vahvistaa, että AHE voidaan havaita kvantitatiivisesti ei-magneettisissa materiaaleissa käyttämällä tasomaisia magneettikenttiä", Uchida toteaa.

Kokeellisten tulosten yksityiskohtainen analyysi viittasi siihen, että tämä vaikutus johtui orbitaalisesta magnetisaatiosta – eli magnetisaatiosta, joka johtui elektronien rataliikkeestä eikä niiden spinistä.

”Tutkimuksessamme käytetty lähestymistapa on laajalti sovellettavissa muissakin kuin Dirac-puolimetalleissa, ja se haastaa pitkäaikaiset oletukset Hall-ilmiöistä. Tulevaisuuden tutkimus voisi johtaa seuraavan sukupolven laitteiden kehittämiseen”, Uchida toteaa.

Aiheesta aiemmin:

Valo paljastaa magnetismia ei-magneettisissa metalleissa

Avaus pienen energiankäytön elektroniikalle

Uudenlainen Hall-ilmiö