Эффект Холла известен с 1879 года: Эдвин Холл показал, что если пропускать ток по проводящей пластинке и приложить магнитное поле перпендикулярно ей, движущиеся заряды отклоняются, и поперек тока возникает измеримое напряжение. По этому сигналу можно определить, переносится ли электрический ток отрицательными или положительными зарядами, сколько этих зарядов движется через материал и насколько легко они протекают. Сегодня на эффекте Холла основана работа многочисленных датчиков, от автомобильной электроники до клавиатур.
Классическое понимание было простым: чтобы увидеть эффект Холла, магнитное поле должно быть направлено перпендикулярно пленке или пластине. Сотрудники лаборатории LIQUID (Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices) при Университете Карнеги-Меллона показали, что это не всегда так. «Долгое время считалось, что эффект Холла работает только при поле, перпендикулярном пленке. Мы показали, что это неверно — отклик можно получить и при поле в плоскости», — говорит доцент физики Симранджит Сингх.
Речь идет об «аномальном» эффекте Холла — особом варианте, который связан не только с самим магнитным полем, но и с внутренней намагниченностью материала и его квантовыми свойствами. Теоретически возможность «плоскостного» (in-plane) аномального эффекта Холла уже обсуждалась, но экспериментально его никто не наблюдал: крайне трудно подобрать материал с нужной симметрией кристаллической решетки и сделать его магнитным.
Физики нашли выход, используя двухмерные квантовые материалы. Команда Сингха и его коллеги, доцента Джйоти Каточ взяла тантал-иридий-теллурид (TaIrTe₄) — кристалл с подходящей симметрией, — и истончила его до нескольких атомных слоев. Затем этот слой «упаковали» в гетероструктуру вместе с магнитным материалом хром-германий-теллурид (Cr₂Ge₂Te₆ или CGT). Когда эти пленки оказываются вплотную друг к другу, магнетизм CGT как бы «просачивается» в немагнитный TaIrTe₄: в нем появляется намагниченность, но при этом сохраняются его необычные электронные свойства. «Это наглядно демонстрирует силу атомарно точных гетероструктур из двумерных материалов: мы можем по запросу получать нужные электронные и магнитные свойства», — отмечает Каточ.
В этих ультратонких устройствах ученые увидели сразу два сигнала: обычный холловский и дополнительный, который следует за намагниченностью в плоскости. Фактически один и тот же нанометровый датчик стал чувствительным к магнитному полю сразу по нескольким направлениям. «Теперь можно проводить многомерное магнитное зондирование одним сенсором. Раньше для измерения поля в двух направлениях требовались два датчика», — говорит Сингх.
Сейчас команда LIQUID ищет другие материалы, в которых можно реализовать такой же необычный отклик, и проверяет работу устройств при комнатной температуре. Это необходимый шаг, чтобы перевести открытие из разряда фундаментальной физики в практическую плоскость, применив его для создания сенсоров нового поколения — более простых, компактных и чувствительных к магнитным полям в нескольких направлениях одновременно.
Ранее химики научились создавать «невозможные» нанокристаллы.