固态物理学的惊喜:没有磁铁的磁效应

磁单极子

材料的表现得像存在磁垄断。信贷:涂维恩

固态物理学的惊喜:通常需要磁场的霍尔效应,也可以以一种完全不同的方式产生——具有极强的强度。

电流在磁场作用下发生偏转——在导电材料中这就导致了所谓的霍尔效应。这种效应常被用来测量磁场。一个令人惊讶的发现已经在你维恩,与保罗谢勒研究所的科学家们合作(瑞士),McMater大学(加拿大)和莱斯大学(美国):一个奇异的金属铈,铋、审查和钯是一个巨大的霍尔效应被发现产生的材料,总没有任何磁场。产生这一意外结果的原因在于电子的不寻常特性:它们的行为就像材料中存在磁单极子一样。这些发现已经发表在美国国家科学院院刊上。

垂直于电流的电压

当电流流过金属条时,电子从一侧移动到另一侧。如果在该条带旁边放置磁铁,则力作用在电子上 - 所谓的洛伦兹力。通过金属条的电子的路径不再是直的,它是弯曲的。因此,现在金属条的一侧上的更多电子比另一侧,并且这会产生电压 - 垂直于电流流动的方向。这是经典的霍尔效果,因为它已知多年。

“测量霍尔效应的强度是我们在实验室中表征材料的方法之一,”屠维恩固态物理研究所的西尔克教授Bühler-Paschen说。“通过这样的实验,你可以了解到很多关于固态电子的行为。当Sami Dzsaber,他正在Bühler-Paschen的研究小组研究他的论文,检查材料Ce3Bi4Pd3,他非常认真地执行他的任务,并进行了一个没有磁场的测量。“实际上,这是一个不同寻常的想法——但在这个案例中,这是决定性的一步,”Silke Bühler-Paschen说。

Sami Dzsaber和SilkeBühler-Paschen

Sami Dzsaber和silk Bühler-Paschen。信贷:涂维恩

测量结果显示,即使没有外部磁场,这种材料也表现出霍尔效应——而且不是普通的霍尔效应,而是一个巨大的霍尔效应。在普通材料中,只有巨大的电磁线圈才能产生这种强度的霍尔效应。“所以我们必须回答另一个问题,”西尔克说Bühler Paschen。“如果霍尔效应在没有外部磁场的情况下发生,我们是否有可能面对的是极其强烈的局部磁场,这种磁场发生在材料内部的微观尺度上,但在外部却无法感受到?”

因此,在瑞士保罗·舒勒研究所进行了调查:借助于μONS - 基本颗粒特别适合于研究磁性现象 - 材料被更接近地检查。但事实证明,即使在显微尺度上也可以检测到磁场。“如果没有磁场,那么也没有洛伦兹力可以作用于材料中的电子 - 但是测量霍尔效应。这是非常出色的,“SilkeBühler-Paschen说。

对称性是重要的

这种奇怪现象的解释在于电子之间复杂的相互作用。“这种材料的原子是根据非常特定的对称性排列的,这些对称性决定了所谓的色散关系,即电子的能量和它们的动量之间的关系。色散关系告诉我们,当一个电子具有一定的能量时,它的运动速度有多快。”Bühler-Paschen说。“同样重要的是,你不能单独观察电子——它们之间有很强的量子力学相互作用。”

这种复杂的相互作用导致的现象,从数学上看似乎在物质中有磁单极子——即孤立的北极和南极,这在自然界中并不以这种形式存在。“但它实际上对电子的运动有一个非常强的磁场的影响,”Bühler-Paschen说。

理论上已经预测了效果,以便更简单,但没有人能够证明它。突破来了对新型材料的调查:“我们具有化学成分的材料Ce3Bi4PD3的特征在于电子之间的特别强烈的相互作用,”Bühler-Paschen解释说。“这被称为Kondo效果。它导致这些虚构的磁共振能够极其强烈地影响材料中的传导电子。这就是为什么效果超过大于理论上预测的千倍的原因。“

新的巨大自发霍尔效应具有下一代量子技术的一些潜力。在该领域中,例如,在没有外部磁场的情况下完全产生方向依赖性散射的非倒数元件是重要的;它们可以通过这种效果实现。“材料的极其非线性行为也非常兴趣,”SilkeBühler-Paschen说。“在固体中复杂的许多粒子现象的事实导致意外的应用可能性使得这一研究领域特别令人兴奋。”

参考:Sami Dzsaber, Yan Xinlin, Mathieu Taupin, Gaku Eguchi, Andrey Prokofiev, Toni Shiroka, Peter Blaha, Oleg Rubel, Sarah E. Grefe, xin hua Lai, Qimiao Si and Silke Paschen, 2021年2月19日国家科学院的诉讼程序
DOI: 10.1073 / pnas.2013386118

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