Magnetisk effekt uden magnet

Elektrisk strøm afbøjes af et magnetfelt - i ledende materialer, dette fører til den såkaldte Hall-effekt. Denne effekt bruges ofte til at måle magnetiske felter. En overraskende opdagelse er nu gjort på TU Wien, i samarbejde med forskere fra Paul Scherrer Institute (Schweiz), McMater University (Canada), og Rice University (U.S.):et eksotisk metal lavet af cerium, vismut og palladium blev undersøgt, og en gigantisk Hall-effekt viste sig at blive produceret af materialet, i fuldstændig fravær af magnetfelt. Årsagen til dette uventede resultat ligger i elektronernes usædvanlige egenskaber:De opfører sig, som om magnetiske monopoler var til stede i materialet. Disse opdagelser er nu blevet offentliggjort i det videnskabelige magasin PNAS .

En spænding vinkelret på strømmen

Når en elektrisk strøm løber gennem en metalstrimmel, elektroner bevæger sig fra den ene side til den anden. Hvis en magnet er placeret ved siden af ​​denne strimmel, en kraft virker på elektronerne - den såkaldte Lorentz-kraft. Elektronernes vej gennem metalstrimlen er ikke længere lige, den er bøjet lidt. Derfor, der er nu flere elektroner på den ene side af metalstrimlen end på den anden, og dette skaber en spænding - vinkelret på den retning, strømmen løber i. Dette er den klassiske Hall-effekt, som det har været kendt i mange år.

"At måle styrken af ​​Hall-effekten er en af ​​de måder, vi karakteriserer materialer på i vores laboratorium, " siger prof. Silke Bühler-Paschen fra Institut for faststoffysik ved TU Wien. "Du kan lære meget om elektronernes opførsel i fast tilstand fra sådan et eksperiment." Da Sami Dzsaber, som arbejdede på sin afhandling i Bühler-Paschens forskningsgruppe, undersøgt materialet Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ , han tog sin opgave meget alvorligt og udførte også en måling uden magnetfelt. "Rent faktisk, dette er en usædvanlig idé - men i dette tilfælde var det det afgørende skridt, siger Silke Bühler-Paschen.

Målingen afslørede, at materialet udviser en Hall-effekt selv uden et eksternt magnetfelt - og ikke kun en normal Hall-effekt, men en kæmpe en. I normale materialer, en Hall-effekt af denne styrke kan kun produceres med enorme elektromagnetiske spoler. "Så vi var nødt til at svare på et andet spørgsmål, " siger Silke Bühler Paschen. "Hvis der opstår en Hall-effekt uden et eksternt magnetfelt, har vi måske at gøre med ekstremt stærke lokale magnetfelter, der opstår i mikroskopisk skala inde i materialet, men kan ikke længere mærkes udenfor?"

Der blev derfor foretaget undersøgelser på Paul Scherrer Instituttet i Schweiz:Ved hjælp af muoner – elementarpartikler, der er særligt velegnede til at undersøge magnetiske fænomener – blev materialet undersøgt nærmere. Men det viste sig, at der ikke kunne detekteres noget magnetfelt selv på mikroskopisk skala. "Hvis der ikke er noget magnetfelt, så er der heller ingen Lorentz-kraft, der kan virke på elektronerne i materialet - men ikke desto mindre blev der målt en Hall-effekt. Det er virkelig bemærkelsesværdigt, siger Silke Bühler-Paschen.

Symmetri er det, der tæller

Forklaringen på dette mærkelige fænomen ligger i elektronernes komplicerede interaktion. "Atomerne i dette materiale er arrangeret efter meget specifikke symmetrier, og disse symmetrier bestemmer det såkaldte spredningsforhold - det er forholdet mellem elektronernes energi og deres bevægelsesmængde. Dispersionsforholdet fortæller os, hvor hurtigt en elektron kan bevæge sig, når den har en bestemt energi, " siger Bühler-Paschen. "Det er også vigtigt at bemærke, at man ikke kan se på elektronerne individuelt her - der er stærke kvantemekaniske vekselvirkninger mellem dem."

Denne komplekse interaktion resulterer i fænomener, der matematisk ser ud, som om der er magnetiske monopoler i materialet – dvs. ensomme nord- og sydpoler, som ikke findes i denne form i naturen. "Men det har faktisk virkningen af ​​et meget stærkt magnetfelt på elektronernes bevægelse, " siger Bühler-Paschen.

Effekten var allerede blevet forudsagt teoretisk for enklere materialer, men ingen havde kunnet bevise det. Gennembruddet kom med undersøgelsen af ​​en ny klasse af materialer:"Vores materiale med den kemiske sammensætning Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ er karakteriseret ved en særlig stærk interaktion mellem elektronerne, " forklarer Bühler-Paschen. "Dette er kendt som Kondo-effekten. Det får disse fiktive magnetiske monopoler til at have præcis den rigtige energi til at påvirke ledningselektronerne i materialet ekstremt kraftigt. Dette er grunden til, at effekten er mere end tusind gange større end teoretisk forudsagt."

Den nye gigantiske spontane Hall-effekt rummer et vist potentiale for næste generations kvanteteknologier. På dette felt, for eksempel, ikke-reciproke elementer, der producerer retningsafhængig spredning helt uden et eksternt magnetfelt, er af betydning; de kunne realiseres med denne effekt. "Den ekstremt ikke-lineære opførsel af materialet er også af stor interesse, ", siger Silke Bühler-Paschen. "Det faktum, at komplekse mange-partikel-fænomener i faste stoffer giver anledning til uventede anvendelsesmuligheder, gør dette forskningsfelt særligt spændende."