Karnegi Mellon Universitetinin tədqiqatçıları materialların elektrik və maqnit baxımından necə davrandığını öyrənmək üçün istifadə edilən əsas prinsip olan Hall effekti haqqında uzun müddətdir mövcud olan bir fərziyyəni alt-üst edən qeyri-adi bir maqnit reaksiyası aşkar ediblər.

“Nature Materials” jurnalında dərc olunan tapıntılar alimlərin Holl effekti haqqında anlayışlarını genişləndirir və nəticədə elektronika, nəqliyyat və tibbi görüntüləmə üçün daha sadə və daha çevik maqnit sensorlarını dəstəkləyə bilər.

Əsrlər boyu davam edən fizika effektini yenidən düşünmək

Alimlər bir əsrdən çoxdur ki, Holl effektinə etibar edirlər. 1879-cu ildə Edvin Holl aşkar etdi ki, elektrik cərəyanı daşıyan bir materiala dik olaraq maqnit sahəsi tətbiq edildikdə, hərəkət edən yüklər bir tərəfə itələnir. Bu, tədqiqatçıların ölçə biləcəyi bir gərginlik yaradır.

Bu siqnal, cərəyanın müsbət və ya mənfi yüklərlə daşınıb-daşımadığı, neçə yük daşıyıcısının mövcud olduğu və onların nə qədər asanlıqla hərəkət edə biləcəyi də daxil olmaqla, bir material haqqında vacib məlumatları ortaya qoyur. Hall effekti sensorları hazırda avtomobillərdən kompüter klaviaturalarına qədər müxtəlif texnologiyalarda geniş istifadə olunur.

Karnegi Mellon Universitetinin Fizika şöbəsində çalışan və Kvant Materialları, İnterfeysləri və Cihazlarını Araşdırma Laboratoriyasında (LIQUID) çalışan tədqiqatçılar indi effektin fərqli bir formasını nümayiş etdiriblər.

“Uzun müddət insanlar Holl effektinin yalnız maqnit sahəsi filmin müstəvisinə perpendikulyar tətbiq edildikdə işlədiyini düşünürdülər. Biz bunun doğru olmadığını göstərdik – sahə müstəvi daxilində olduqda da cavab ala bilərsiniz”, – fizika üzrə dosent Simranjeet Sinqh bildirib.

Nəticə göstərir ki, maqnitləşmə ilə əlaqəli Hall reaksiyası birdən çox istiqamətdə baş verə bilər. Bu, fiziklərə kondensasiya olunmuş maddə sistemlərində çoxölçülü maqnit və topoloji strukturları araşdırmaq üçün yeni bir yol təqdim edir.

Sinqh bildirib ki, “Fundamental əhəmiyyətdən əlavə, bu kəşf eyni cihazda müstəvi xaricindəki və müstəvidaxili anomal Hall effekti siqnallarını ölçməklə yeni müstəvi cihaz arxitekturaları və vektor maqnitometriyası kimi sensor növlərini yaratmağa imkan verə bilər”.

Proqnozu Təcrübəyə Çevirmək

Alimlər əvvəllər nəzəri olaraq təyyarədaxili anomal Holl effektini proqnozlaşdırmışdılar, lakin bu işdən əvvəl heç bir təcrübə bunu uğurla nümayiş etdirə bilməmişdi.

“İnsanlar bunu təklif etdilər və ideyalar var idi, amma bunu etmək üçün düzgün simmetriyaya malik maqnit materialı hazırlamaq çox çətindir”, Sinqh dedi. “Biz düzgün simmetriyaya malik bir material tapdıq və onu maqnitləşdirdik.”

Təcrübə üçün tələb olunan nanometr ölçülü cihazların yaradılması ikiölçülü kvant materialları üzərində təcrübə tələb edirdi. Sinqh bu cür materiallardan cihazlar hazırlamaqda ixtisaslaşmış fizika üzrə dosent Cyoti Katoç ilə işləmişdir.

Doktoranturadan sonrakı tədqiqatçılar İ-Hsuan Kao və Ravi Kumarın daxil olduğu tədqiqat qrupu tantal iridium tellurid (TaIrTe4) ilə başladı. Onun kristal quruluşu çoxölçülü Holl effektini dəstəkləmək üçün lazım olan simmetriyaya malikdir. Tədqiqatçılar materialı qalınlığına görə yalnız bir neçə atom təbəqəsinə endirdilər, sonra onu maqnit təbəqəsi olan Cr2Ge2Te6 (CGT)-nin yanına yerləşdirdilər.

İki təbəqə bir-birinə çox yaxın yerləşdiyindən, CGT-dən gələn maqnit davranışı normal olaraq maqnit olmayan TaIrTe4-ə təsir göstərir. Bu, TaIrTe4-ə maqnit xüsusiyyətləri verir və eyni zamanda əsas elektron xüsusiyyətlərini qoruyub saxlamağa imkan verir.

Katoch dedi: “Bu, həqiqətən də, tələb üzrə elektron və maqnit xüsusiyyətləri əldə etmək üçün ortaya çıxan ikiölçülü kvant materiallarının atom baxımından dəqiq heterostrukturlarının qurulmasının gücünü nümayiş etdirir”.

Bir Cihaz, Birdən Çox Maqnit İstiqaməti

Atom baxımından nazik cihazların içərisində tədqiqatçılar həm tanış Hall siqnalını, həm də materialın müstəvisində yerləşən maqnitləşmə ilə əlaqəli ikinci, qeyri-ənənəvi bir siqnalı aşkar etdilər.

Bu fərqin potensial olaraq vacib praktik nəticəsi var. Tək bir ultra nazik cihaz birdən çox ox boyunca maqnit sahələrini aşkar edə bilər.

Sinqh dedi: “Biz bu materialların potensial tətbiqini genişləndirmişik. Çoxölçülü maqnit sensoru yalnız bir sensorla edə bilərsiniz. Əvvəllər maqnit sahəsini iki istiqamətdə ölçmək üçün iki sensor quraşdırmaq lazım idi.”

Buna görə də, iş, hər biri üçün ayrı sensorlar tələb etmədən birdən çox istiqamətdə ölçmə apara bilən maqnit sensor sistemlərinə yönəlib.

Qeyri-adi Hall Reaksiyasını İzah Etmək

Təcrübələrlə yanaşı, fizika üzrə dosent Şubhayu Çatterci, effektin niyə yarandığını və birləşdirilmiş materialların simmetriyasının bunu necə mümkün etdiyini araşdırmaq üçün nəzəri modelləşdirmədən istifadə etmişdir.

“Biz aşkar etdik ki, CGT ilə qoşalaşma nəticəsində azalmış simmetriya interfeysdə əlavə spin-orbit birləşməsinə imkan verir. Bu spin-orbit birləşmə terminləri, CGT aşağı temperaturda ferromaqnit hala gəldikdən sonra müstəvidaxili anomal Holl effektinin ortaya çıxması üçün çox vacibdir. Müşahidə olunan anomal Holl effekti siqnalının müəyyən xüsusiyyətləri daxili mənşə ilə uyğun gəlsə də, dəqiq mexanizmi dəqiqləşdirmək üçün az qatlı TaIrTe4-ün ətraflı xarakteristikası tələb olunur”, – deyə Çatterci bildirib.

LIQUID komandası hazırda eyni qeyri-ənənəvi Hall reaksiyasını yarada biləcək əlavə material kombinasiyalarını araşdırır. Tədqiqatçılar həmçinin cihazın otaq temperaturunda necə davrandığını da sınaqdan keçirirlər ki, bu da texnologiyanın nəticədə praktik tətbiqlərdə istifadə olunacağı təqdirdə vacib bir tələb olacaq.