Физики изготовили новое устройство, которое может продемонстрировать квантовый аномальный эффект Холла. В нем крошечные дискретные скачки напряжения генерируются внешним магнитным полем. Новая работа поможет создать электронику с чрезвычайно низким энергопотреблением, а также квантовые компьютеры будущего. Исследование опубликовано в The Journal of Physical Chemistry Letters.
Что такое эффект Холла?
Квантовый эффект Холла — макроскопическое явление. Его суть в том, что поперечное сопротивление в материале меняется ступенчато. Его можно наблюдать в двумерных электронных системах. Для этого требуются низкие температуры и сильные магнитные поля.
Однако двумерная система может спонтанным образом генерировать собственное магнитное поле даже при отсутствии внешних полей. Например, при помощи орбитального ферромагнетизма, который происходит в результате взаимодействия электронов. Это и есть аномальный квантовый эффект Холла.
Пример эффекта в жизни
Если взять обычный провод, по которому течет электрический ток, и использовать магнитное поле, можно создать новое электрическое напряжение. Оно будет перпендикулярно потоку тока. Этот и есть так называемый эффект Холла.
Квантовое туннелирование в фазовом пространстве.Источник: MaximeMartinez, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Существует его соответствующая квантовая версия эффекта, который возникает с определенными приращениями, или квантами. Это открыло возможность использования квантового аномального эффекта Холла для создания новых высокопроводящих проводов или даже квантовых компьютеров. Однако физика, которая приводит к этому явлению, до сих пор полностью не изучена.
Что сделали ученые?
Группа исследователей во главе с сотрудниками Института материаловедения Университета Цукуба использовала материал топологического изолятора. В нем ток течет на границах раздела, но не проходит через основную массу, чтобы вызвать квантовый аномальный эффект Холла.
Физики выяснили, что используя ферромагнитный материал — железо — в качестве верхнего слоя устройства, магнитный эффект близости может привести к магнитному упорядочению без внесения беспорядка. Его мог вызвать альтернативный метод легирования магнитными примесями.
Напомним, что магнитное упорядочение (упорядоченное пространственное расположение магнитных моментов) наиболее изучено в твердых телах, обладающих дальним порядком в расположении атомов и кристаллической решеткой, в узлах которой периодически располагаются атомы с магнитными моментами.
Как проходил эксперимент?
В итоге ток, создаваемый квантовым аномальным эффектом Холла, может проходить вдоль границы слоя без рассеивания. А это очень полезно для работы новых энергосберегающих устройств.
Одинаковая структура в зеркальном изображении. Иллюстрация: University of Tsukuba
Для изготовления прибора тонкую пленку монокристаллической гетероструктуры, которая состоит из слоя железа поверх теллурида олова, вырастили на шаблоне методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Исследователи измерили намагниченность поверхности с помощью нейтронов, которые обладают магнитным моментом, но у них нет электрического заряда.
Что в итоге?
Ученые обнаружили, что ферромагнитный порядок устанавливается примерно в двух нанометрах в слое теллурида олова от границы с железом. Примечательно, что он существует даже при комнатной температуре.
Это поможет в проекте реализации спинтроники следующего поколения и создать квантовые вычислительные устройства. Для этого как раз потребуются слои, которые демонстрируют квантовый аномальный эффект Холла. Теперь, как показало это исследование, его достаточно легко получить.
Читать далее:
Космический самолет доставит грузы на МКС и приземлится в обычном «аэропорту»
Звезда приблизилась к черной дыре и ее разорвало: ученые наблюдали это с трех телескопов
Физики объяснили «космическую нестыковку» Хокинга: как это изменит науку
Фото на обложке: Simon Whitehead from Australia, CC BY 2.0, via Wikimedia Commons