Магнитный эффект без магнита

5 марта 2021 г.

Ученые из Венского технического университета в сотрудничестве с учеными из Института Пола Шеррера (Швейцария), Университета Макматера (Канада) и Университета Райса (США) сделали удивительное открытие. Результаты исследования опубликованы в журнале PNAS.

Как известно, траектория движения электронов имеет свойство искривляться под действием внешнего магнитного поля. В проводящих материалах это приводит к так называемому эффекту Холла. Этот эффект часто используется для измерения магнитных полей.

Ученые обнаружили, что в экзотическом металле, состоящем из церия, висмута и палладия, может возникать эффект Холла даже при полном отсутствии какого-либо магнитного поля. Поразительно, но электроны могут вести себя так, как если бы в материале присутствовали магнитные монополи.

Измерение силы эффекта Холла – один из многих способов определения характеристик материалов в исследовательской лаборатории Института физики твердого тела в Венском техническом университете.

Исследователи описывают свою работу, как «необычный, но необходимый для продвижения науки шаг». Один из сотрудников этой лаборатории, профессор Силке Бюлер-Пашен говорит, что «из эксперимента, который мы провели, нам удалось узнать многое о поведении электронов в твердой среде».

Ученые докладывают, что был получен мощный, но абсолютно спонтанный эффект Холла в кондо-полуметалле Ce₃Bi₄Pd₃. Мощность этого эффекта превзошла все ожидания.

Профессор Силке описывает это следующим образом: «По своим характеристикам металл не является центросимметричным, но, при этом, сохраняет T-симметрию («симметрию по отношению к обращению времени»). Мы связываем это открытие с узлами Вейля. Узлы Вейля являются монополями и антимонополями импульсного пространства. Они возникают близко к поверхности Ферми в результате эффекта увеличения электрического сопротивления слаболегированных магнитными примесями немагнитных металлических сплавов при температуре, близкой к абсолютному нулю».

В обычных материалах эффект Холла такой силы может быть получен только с помощью огромных электромагнитных катушек. Если эффект Холла возникает без внешнего магнитного поля, то, возможно, ученые имеют дело с чем-то иным? В качестве примера авторы статьи предпологают о наличии потенциально сильных (чрезвычайно сильных) локальных магнитных полей, которые возникают в микроскопическом масштабе внутри самого материала, но снаружи, при этом, никак не ощущаются.

Объяснение этого странного явления кроется в сложном взаимодействии электронов. «Атомы этого материала расположены в соответствии с очень специфической симметрией, и эта симметрия определяет так называемое дисперсионное соотношение, то есть соотношение между энергией электронов и их импульсом. Дисперсионное соотношение говорит нам о том, насколько быстро может двигаться электрон, когда в нем есть определенная энергия», – говорит Бюлер-Пашен из Института физики твердого тела. Ученые подчеркивают в своей работе, что на электроны нельзя рассматривать по отдельности, так как между ними существует сильное квантово-механическое взаимодействие. Поэтому ими был применен комплексный подход к изучению данного удивительного эффекта.

Спонтанный эффект Холла имеет высокий потенциал применения в квантовых технологиях нового поколения.

Эффект уже был предсказан теоретически для более простых материалов, но никто не смог экспериментально его доказать.

Прорыв произошел после того, как был поулчен и исследован новый класс материалов – полуметаллы Вейля, самые экзотические проводники 21-го века. Исследователи пишут, что исследуемый материал характеризуется особенно сильным уровнем взаимодействия между электронами, что известно под называнием «эффект Кондо». Это приводит к тому, что «магнитные псевдо-монополи» обладают энергией, которая необходима для чрезвычайно сильного воздействия на электроны в изучаемом материале. По предположению ученых, это является причиной того, что эффект Холла оказался более чем в тысячу раз больше, чем было предсказано в теории ранее.

Читать подробнее:

Источник: PNAS

Перевод/адаптация текста: «Вестник ОНЗ РАН»

Печать