Metamateriale:Mail rustning inspirerer fysikere

Middelalderen var bestemt langt fra at være videnskabsvenlig:Den, der ledte efter nye fund uden for alfarvej, stod over for truslen om at blive brændt på bålet. Derfor, denne æras bidrag til den tekniske udvikling anses for at være ret lille. Forskere fra Karlsruhe Institute of Technology (KIT), imidlertid, blev inspireret af middelalderlig postrustning, da de producerede et nyt metamateriale med nye egenskaber. Det lykkedes dem at vende Hall-koefficienten for et materiale.

Hall-effekten er forekomsten af ​​en tværgående elektrisk spænding over en elektrisk leder, der passeres af en strøm, hvis denne leder er placeret i et magnetfelt. Denne effekt er et grundlæggende fænomen i fysik og gør det muligt at måle styrken af ​​magnetiske felter. Det er grundlaget for magnetiske hastighedssensorer i biler eller kompasser i smartphones. Udover at måle magnetiske felter, Hall-effekten kan også bruges til at karakterisere metaller og halvledere og især til at bestemme ladningsbærertætheden af ​​materialet. Tegnet for den målte Hall-spænding gør det muligt at drage konklusioner om, hvorvidt ladningsbærere i halvlederelementet bærer positiv eller negativ ladning.

Matematikere forudsagde allerede teoretisk, at det er muligt at vende Hall-koefficienten for et materiale (såsom guld eller silicium), dvs. at vende sit tegn. Dette forventedes at blive opnået ved en tredimensionel ringstruktur, der ligner middelalderlig postrustning. Imidlertid, dette blev anset for svært, da ringnettet på milliontedele af en meter i størrelse skulle være sammensat af tre forskellige komponenter.

Christian Kern, Muamer Kadic, og Martin Wegener fra KIT's Institut for Anvendt Fysik fandt nu ud af, at et enkelt grundmateriale er tilstrækkeligt, forudsat at den valgte ringstruktur følger et bestemt geometrisk arrangement. Først, de producerede polymerstilladser med en 3D-printer med højeste opløsning. Derefter, de beklædte disse stilladser med halvledende zinkoxid.

Resultatet af eksperimentet:Forskerne kan producere metamaterialer med en positiv koefficient, selvom deres komponenter har negative koefficienter. Det lyder lidt som de vises sten, formlen, ved hjælp af hvilke middelalderlige alkymister forsøgte at omdanne et stof til et andet. Men her, ingen konvertering finder sted. "Ladningsbærerne i metamaterialet forbliver negativt ladede elektroner, " Christian Kern forklarer. "Hal målinger får dem kun til at virke positivt ladede, da strukturen tvinger dem til at tage omveje."

Kern indrømmer, at denne opdagelse indtil videre ikke har nogen praktisk nytte. Der er tilstrækkelige faste stoffer med både negative og positive Hall-koefficienter. Men Kern vil fortsætte forskningen. Næste trin vil være produktionen af ​​anisotrope strukturer med en Hall-spænding i retning af det magnetiske felt. Normalt, Hallspændingen rettes lodret til strøm- og magnetfelter. Sådanne ukonventionelle materialer kan anvendes i nye sensorer til direkte måling af magnetfelthvirvler.