Carnegie Mellon Üniversitesi araştırmacıları, malzemelerin elektriksel ve manyetik davranışlarını incelemek için kullanılan temel prensiplerden Hall etkisine dair uzun süredir kabul gören bir varsayımı çürüten sıra dışı bir manyetik tepki keşfetti.
Nature Materials dergisinde yayımlanan bu buluş, bilim insanlarının Hall etkisine dair anlayışını genişletiyor ve elektronik, ulaşım ile tıbbi görüntüleme alanlarında daha basit ve esnek manyetik sensörlerin geliştirilmesine öncülük edebilir.
Yüzyıllık Fizik Etkisinin Yeniden Değerlendirilmesi
Bilim insanları yüz yılı aşkın bir süredir Hall etkisinden yararlanıyor. Edwin Hall, 1879 yılında elektrik akımı taşıyan bir malzemeye manyetik alan dik olarak uygulandığında, hareket halindeki yüklerin bir tarafa itildiğini keşfetmişti. Bu durum, araştırmacıların ölçebildiği bir voltaj oluşturuyor.
Bu sinyal, malzemenin akımının pozitif mi yoksa negatif yükler mi taşıdığı, kaç tane yük taşıyıcısı bulunduğu ve bunların ne kadar kolay hareket edebildiği gibi önemli bilgileri ortaya çıkarıyor. Hall etkisi sensörleri günümüzde otomobillerden bilgisayar klavyelerine kadar uzanan çok geniş bir teknoloji yelpazesinde yaygın olarak kullanılıyor.
Carnegie Mellon Fizik Bölümü'nde, Kuantum Malzemeleri, Arayüzleri ve Cihazları Araştırma Laboratuvarı'nda (LIQUID) çalışan araştırmacılar, artık bu etkinin farklı bir formunu da ortaya koydu.
Fizik Doçenti Simranjeet Singh konuyla ilgili olarak, "Uzun zamandır insanlar Hall etkisinin sadece manyetik alan filmin düzlemine dik olarak uygulandığında çalıştığını düşünüyordu. Ancak bunun doğru olmadığını, alan düzlem içi olduğunda da bir tepki alabileceğinizi gösterdik" dedi.
Elde edilen bu sonuç, manyetizasyonla bağlantılı bir Hall tepkisinin birden fazla yönde ortaya çıkabileceğini gösteriyor. Bu durum, fizikçilere yoğun madde sistemlerinde çok boyutlu manyetik ve topolojik yapıları incelemek için yepyeni bir yol sunuyor.
Singh, "Temel öneminin ötesinde bu keşif, aynı cihazda düzlem dışı ve düzlem içi anormal Hall etkisi sinyallerini ölçerek vektör manyetometresi gibi yeni düzlemsel cihaz mimarilerine ve sensör türlerine olanak tanıyabilir" diye konuştu.
Bir Tahmini Deneye Dönüştürmek
Bilim insanları daha önce teorik olarak düzlem içi anormal Hall etkisini öngörmüştü, ancak bu çalışmadan önce bunu başarıyla gösteren hiçbir deney yapılmamıştı.
Singh, "İnsanlar bunu önerdi ve fikirler ortalıkta dolaşıyordu, ancak bunu yapmak için doğru simetriye sahip manyetik bir malzeme üretmek çok zor" dedi ve sözlerini şöyle sürdürdü: "Bizim yaptığımız şey, doğru simetriye sahip bir malzeme bulmak ve onu manyetik hale getirmek oldu."
Deney için gereken nanometre boyutundaki cihazların oluşturulması, iki boyutlu kuantum malzemeleri konusunda uzmanlık gerektiriyordu. Singh, bu tür malzemelerden cihaz üretme konusunda uzmanlaşmış bir fizik doçenti olan Jyoti Katoch ile birlikte çalıştı.
Doktora sonrası araştırmacılar I-Hsuan Kao ve Ravi Kumar'ın da aralarında bulunduğu araştırma ekibi, işe tantalum iridyum tellürür (TaIrTe4) ile başladı. Bu malzemenin kristal yapısı, çok boyutlu bir Hall etkisini desteklemek için gereken simetriye sahipti. Araştırmacılar malzemeyi sadece birkaç atomik katman kalınlığına indirdi ve ardından onu manyetik bir katman olan Cr2Ge2Te6 (CGT)'nin yanına yerleştirdi.
İki katman birbirine çok yakın durduğu için, CGT'den gelen manyetik davranış normalde manyetik olmayan TaIrTe4'ü etkiliyor. Bu durum, TaIrTe4'e manyetik özellikler kazandırırken, temel elektronik özelliklerini korumasına olanak tanıyor.
Katoch, "Bu durum, talep üzerine elektronik ve manyetik özellikler elde etmek için ortaya çıkan iki boyutlu kuantum malzemelerinin atomik olarak hassas heteroyapılarını inşa etmenin gücünü gerçekten ortaya koyuyor" ifadelerini kullandı.
Tek Cihaz, Çoklu Manyetik Yön
Araştırmacılar, atomik incelikteki cihazların içinde hem tanıdık Hall sinyalini hem de malzemenin düzleminde yatan manyetizasyonla ilişkili ikinci, alışılmadık bir sinyal tespit etti.
Bu farkın potansiyel olarak önemli pratik bir sonucu var. Tek bir ultra ince cihaz, birden fazla eksen boyunca manyetik alanları algılayabiliyor.
Singh, "Bu malzemelerin potansiyel uygulamasını genişlettik. Tek bir sensörle çok boyutlu manyetik algılama yapabilirsiniz. Eskiden iki yöndeki manyetik alanı ölçmek için iki sensör koymanız gerekiyordu" şeklinde konuştu.
Bu çalışma, her bir yön için ayrı sensörler gerektirmeden birden fazla yönde ölçüm yapabilen manyetik algılama sistemlerine işaret ediyor.
Alışılmadık Hall Tepkisini Açıklamak
Deneylerin yanı sıra, fizik yardımcı doçenti Shubhayu Chatterjee, etkinin neden ortaya çıktığını ve birleştirilen malzemelerin simetrisinin bunu nasıl mümkün kıldığını araştırmak için teorik modellemeden yararlandı.
Chatterjee, "CGT ile eşleştirme nedeniyle azalan simetrinin, arayüzde ek spin-yörünge kuplajına izin verdiğini bulduk. Bu spin-yörünge kuplaj terimleri, CGT düşük sıcaklıklarda ferromanyetik hale geldiğinde düzlem içi anormal Hall etkisinin ortaya çıkması için çok önemli. Gözlemlenen anormal Hall etkisi sinyalinin belirli özellikleri içsel bir kökenle tutarlı olsa da, kesin mekanizmayı belirlemek için birkaç katmanlı TaIrTe4'ün ayrıntılı olarak karakterize edilmesi gerekiyor" dedi.
LIQUID ekibi şu anda aynı alışılmadık Hall tepkisini üretebilecek ek malzeme kombinasyonlarını araştırıyor. Araştırmacılar ayrıca teknolojinin sonunda pratik uygulamalarda kullanılması durumunda önemli bir gereklilik olacak olan cihazın oda sıcaklığında nasıl davrandığını da test ediyor.
