Uudenlainen Hall-ilmiö

Colorado State Universityn jatko-opiskelija Luke Wernertin ja apulaisprofessori Hua Chenin johtama tutkijaryhmä on löytänyt uudenlaisen Hall-ilmiön, joka voisi mahdollistaa energiatehokkaampia elektronisia laitteita.

Heidän löydöksensä yhteistyössä jatko-opiskelija Bastián Pradenasin ja professori Oleg Tchernyshyovin kanssa Johns Hopkinsin yliopistosta, paljastavat aiemmin tuntemattoman Hall-massan monimutkaisissa magneeteissa, joita kutsutaan ei-samansuuntaisiksi antiferromagneeteiksi.

Hall-ilmiö - Edwin Hall löysi ensimmäisen kerran vuonna 1879 - viittaa yleensä sähkövirtaan, joka virtaa sivuttain, kun materiaali altistuu ulkoiselle magneettikentälle, luoden mitattavissa olevan jännitteen. Tämä sivusuuntainen virta tukee kaikenlaista ajoneuvon nopeusantureista puhelimen liiketunnistimiin.

Mutta CSU-tiimin työssä elektronien spin on keskeisessä asemassa sähkövarauksen sijaan.

Ei-samansuuntaisilla lineaarisilla antiferromagneeteilla, toisin kuin tutummilla magneeteilla, joissa spinit ovat rinnakkain tai vastarinnakkain, spinit on suunnattu eri suuntiin, mutta niiden summa on silti nettomagnetisaatiossa nolla. Tämä ainutlaatuinen spin-tekstuuri mahdollistaa Hall-ilmiön tuoreen ilmeen, jossa spinvirrat voivat virrata suorassa kulmassa pelkkien sähkövarausten sijaan.

"Kuvittele, että työnnät spinvirtaa yhteen suuntaan ja saat toisen spinvirran sivuttain", Wernert selittää. "Se on Hall-efektin tunnusmerkki."

Syy, miksi tämä uusi vaikutus - Hall-massan hallitsema - esiintyy vain ei-kollineaarisissa antiferromagneeteissa, koska niillä on kolme vapausastetta, jotka kuvaavat spin-orientaatioita. Tämä ylimääräinen monimutkaisuus johtaa kolmeen spinaallon haaraan (spinien kollektiiviset värähtelyt), joista kaksi virtaa luonnollisesti sivuttain vasteena käyttövoimalle.

Koska spinvirrat tuottavat paljon vähemmän lämpöä kuin sähkövirrat, niiden hyödyntäminen voi mullistaa nykyaikaisen elektroniikan. Tämä mahdollisuus on taustalla nopeasti kasvavalle spintroniikka-alalle, joka pyrkii rakentamaan laitteita – kuten magneettipohjaista tallennustilaa (Magnetoresistive Random-Access Memory, MRAM) – jotka ovat energiatehokkaampia ja kestävät ulkoisten magneettikenttien aiheuttamaa tietojen korruptiota.

Perinteisissä magneettisissa materiaaleissa hajamagneettikenttä voi joskus pyyhkiä pois tallennetun tiedon; sitä vastoin ei-samansuuntaiset lineaariset antiferromagneetit ovat paljon vähemmän herkkiä tällaisille häiriöille, mikä tekee niistä mahdollisesti turvallisempia datan tallentamisessa ja käsittelyssä.

Kaiken kaikkiaan tämän uuden Hall-ilmiön ja siihen liittyvän Hall-massan löytäminen avaa jännittävän suunnan kondensoituneen aineen fysiikassa ja voi ohjata seuraavan sukupolven spin-teknologian kehitystä.

Aiheesta aiemmin:

Huonelämpötilainen Hall-ilmiö ilman magneettikenttää

Kvantti-ilmiön sähköinen ohjaus

Kohti spintronisia MRAM-muisteja