Pesquisadores da Universidade Carnegie Mellon identificaram uma resposta magnética incomum que derruba uma crença de longa data sobre o efeito Hall, um princípio fundamental usado para estudar como os materiais se comportam elétrica e magneticamente.
Conclusão, publicada em material naturalO efeito Hall expandirá a compreensão dos cientistas sobre o efeito e poderá, em última análise, apoiar sensores magnéticos mais simples e flexíveis para eletrônica, transporte e imagens médicas.
Repensando um efeito físico centenário
Os cientistas confiam no efeito Hall há mais de um século. Em 1879, Edwin Hall descobriu que quando um campo magnético é aplicado perpendicularmente a um material que transporta uma corrente elétrica, as cargas em movimento são empurradas para um lado. Isso cria uma voltagem que os pesquisadores podem medir.
Esse sinal revela informações importantes sobre um material, incluindo se ele é transportado por cargas positivas ou negativas, quantos portadores de carga estão presentes e com que facilidade eles podem se mover. Os sensores de efeito Hall são agora amplamente utilizados em tecnologias que vão desde carros até teclados de computador.
Pesquisadores do Departamento de Física da Carnegie Mellon, trabalhando no Laboratório para Investigação de Materiais, Interfaces e Dispositivos Quânticos (LIQUID), demonstraram agora uma forma diferente do efeito.
“Durante muito tempo, as pessoas pensaram que o efeito Hall só funcionava quando o campo magnético era aplicado perpendicularmente ao plano do filme. Mostrámos que isto não é verdade – ainda é possível obter uma resposta quando o campo está no plano,” disse Simranjit Singh, professor associado de física.
O resultado mostra que a reação Hall ligada ao magnetismo pode ocorrer em mais de uma direção. Isso dá aos físicos uma nova maneira de investigar estruturas magnéticas e topológicas multidimensionais em sistemas de matéria condensada.
“Além do significado fundamental, esta descoberta pode permitir novas arquiteturas de dispositivos planares e tipos de sensores, como magnetometria vetorial, por meio da medição de sinais de efeito Hall anômalos fora do plano e no plano no mesmo dispositivo”, disse Singh.
Transformando uma previsão em um experimento
Os cientistas já haviam previsto teoricamente o efeito Hall anômalo no plano, mas nenhum experimento o demonstrou com sucesso antes deste trabalho.
“As pessoas propuseram isso e surgiram ideias, mas é muito difícil fazer materiais magnéticos com a simetria correta”, disse Singh. “O que fizemos foi encontrar um material com a simetria correta e torná-lo magnético.”
A criação dos dispositivos de tamanho nanométrico necessários para o experimento envolveu experiência em materiais quânticos bidimensionais. Singh trabalhou com Jyoti Katoch, professor associado de física, especialista na fabricação de dispositivos com esses materiais.
A equipe de pesquisa, que incluiu os pesquisadores de pós-doutorado I-Hsuan Cao e Ravi Kumar, começou com telureto de tântalo e irídio (TaIrTe4). Sua estrutura cristalina possui a simetria necessária para suportar o efeito Hall multidimensional. Os pesquisadores reduziram o material a apenas algumas camadas atômicas de espessura e depois o colocaram próximo a uma camada magnética, Cr2Ge2Te6 (CGT).
Como as duas camadas ficam muito próximas uma da outra, o comportamento magnético do CGT substitui o do TaIrTe4 normalmente não magnético. Isto confere propriedades magnéticas ao TaIrTe4, além de permitir que ele retenha suas características eletrônicas inerentes.
“Isso realmente demonstra o poder de criar heteroestruturas atomicamente precisas de materiais quânticos bidimensionais emergentes para obter propriedades eletrônicas e magnéticas sob demanda”, disse Katoch.
Um dispositivo, múltiplas direções magnéticas
Dentro dos dispositivos atomicamente finos, os pesquisadores detectaram o familiar sinal Hall e um segundo sinal não convencional associado ao magnetismo dentro do plano do material.
Essa diferença tem consequências práticas potencialmente importantes. Um único dispositivo ultrafino pode detectar campos magnéticos ao longo de mais de um eixo.
“Ampliamos as aplicações potenciais desses materiais”, disse Singh. “Você pode fazer detecção magnética multidimensional com apenas um sensor. Anteriormente, eram necessários dois sensores para medir campos magnéticos em duas direções.”
Este trabalho, portanto, aponta para sistemas de detecção magnética que podem fazer medições em múltiplas direções sem a necessidade de sensores separados para cada uma.
Explicando a reação incomum de Hall
Junto com os experimentos, Shubhayu Chatterjee, professor assistente de física, usou modelagem teórica para investigar por que o efeito aparece e como a simetria dos materiais compósitos o torna possível.
“Descobrimos que a simetria reduzida devido ao acoplamento com CGT permite acoplamento spin-órbita adicional na interface. Esses termos de acoplamento spin-órbita são importantes para o efeito Hall anômalo no plano que ocorre quando o CGT se torna ferromagnético em baixas temperaturas. Embora algumas características do sinal de efeito Hall anômalo observado sejam consistentes com a origem intrínseca, a caracterização detalhada de TaIrTe4 de poucas camadas é necessária para definir o mecanismo exato, “Chatterjee. Disse.
A equipe do LIQUID está agora investigando combinações adicionais de materiais que podem produzir a mesma reação Hall não convencional. Os pesquisadores também estão testando como o dispositivo se comporta à temperatura ambiente, o que será um requisito fundamental se a tecnologia for eventualmente utilizada em aplicações práticas.
