Ученые обнаружили невидимые силы в обычных металлах

Попытка услышать шепот в шумной комнате

Хотя ученые давно умеют демонстрировать, как магнитные поля искривляют электрический ток (эффект Холла), обнаружить влияние этих токов на световые волны оказалось гораздо сложнее. Попытки зафиксировать этот эффект в видимом спектре света, известный как оптический эффект Холла, долгое время оставались безуспешными из-за его крайне слабого проявления. В немагнитных металлах этот эффект еще слабее, что заставило многих исследователей сомневаться в возможности его обнаружения.

«Это было похоже на попытку услышать шепот в шумной комнате«, — объяснил профессор Амир Капуа из Института электротехники и прикладной физики Еврейского университета, руководивший исследованием вместе с аспирантом Надавом Ам Шаломом. «Все знали, что шепот существует, но у нас не было достаточно чувствительного микрофона, чтобы его уловить«.

По словам профессора Капуа, хотя науке давно известно о существовании этих невидимых сил, обнаружить их влияние на свет в видимом спектре было крайне сложно. Особенно трудно это сделать в металлах, которые считаются «немагнитными», поскольку они не притягиваются к магнитам, как железо. Однако при определенных условиях даже такие металлы реагируют на магнитные поля, но «крайне незаметным образом».

«Интересно, что даже Эдвин Холл, первооткрыватель эффекта Холла, пытался измерить его с помощью светового луча, но безуспешно», — вспомнил профессор. «В заключении своей знаменитой статьи 1881 года он написал: Я считаю, что если бы действие серебра было хотя бы в десять раз слабее, чем у железа, эффект удалось бы обнаружить. Но ничего подобного не наблюдалось«.

Усовершенствованный метод MOKE позволил сделать историческое открытие

Для обнаружения оптического эффекта Холла ученые объединили усилия с профессором Бинхаем Яном из Института Вейцмана, профессором Игорем Рожанским из Манчестерского университета и профессором Яном из Университета Пенсильвании. Первым шагом стало усовершенствование метода магнито-оптического эффекта Керра (MOKE), который измеряет, как магнетизм изменяет отражение света.

«Представьте, что вы используете мощный фонарь, чтобы уловить слабейший блик на поверхности в темноте», — пояснили исследователи.

Чтобы повысить чувствительность метода, команда использовала синий лазер с длиной волны 440 нанометров и применила модуляцию внешнего магнитного поля с большой амплитудой. Затем ученые протестировали образцы меди, золота, алюминия, тантала и платины. Улучшенная система MOKE зафиксировала магнитные «отголоски» во всех образцах — то, что ранее считалось почти невозможным.

«Настроившись на нужную частоту и зная, где искать, мы нашли способ измерить то, что раньше считалось невидимым«, — сказал профессор Капуа.

Дальнейший анализ показал, что казавшийся случайным «шум» в сигнале на самом деле имел квантовую природу и был связан с движением электронов и их спином — явление, известное как спин-орбитальное взаимодействие.

«Мы словно обнаружили, что шум в радио — это не просто помехи, а чей-то шепот, несущий ценную информацию«, — отметил Шалом.

Перспективы применения: квантовые компьютеры и спинтроника

Хотя эффект Холла уже используется в производстве полупроводников, современные методы его детекции требуют физического подключения проводов и сложных процессов, особенно при тестировании наноразмерных компонентов. Новый метод позволяет просто направить лазер на образец, что делает его неинвазивным и высокочувствительным инструментом для изучения магнетизма в металлах без необходимости использования мощных магнитов или криогенных условий.

Это открытие может помочь в создании более быстрых процессоров, энергоэффективных электронных систем и сверхчувствительных датчиков с беспрецедентной точностью. Кроме того, оно может повлиять на разработку магнитной памяти, спинтронных устройств и квантовых процессоров.

«Это исследование превращает 150-летнюю научную проблему в новую возможность«, — заключил профессор Капуа.

Источник