Lage minimagneter som induserer en kvanteunormal Hall-effekt

En ny enhet har blitt produsert som kan demonstrere den kvanteanomale Hall-effekten, der små, diskrete spenningstrinn genereres av et eksternt magnetfelt. Dette arbeidet kan muliggjøre elektronikk med ekstremt lav effekt, så vel som fremtidige kvantedatamaskiner.

Hvis du tar en vanlig ledning med elektrisk strøm løper gjennom den, kan du opprette en ny elektrisk spenning vinkelrett på strømmen ved å bruke en eksternt magnetfelt. Denne såkalte Hall-effekten har blitt brukt som en del av en enkel magnetisk sensor, men følsomheten kan være lav.

Det er en tilsvarende kvanteversjon, kalt den kvanteanomale Hall-effekten som kommer i definerte trinn, eller kvanter. Dette har økt muligheten for å bruke den kvanteanomale Hall-effekten for å konstruere nye sterkt ledende ledninger eller til og med kvantedatamaskiner. Fysikken som fører til dette fenomenet er imidlertid fortsatt ikke helt forstått.

Nå har et team av forskere ledet av Institute of Materials Science ved University of Tsukuba brukt et topologisk isolatormateriale, der strømmen flyter ved grensesnittene, men ikke gjennom bulken, for å indusere en kvanteanomal Hall-effekt.

Ved å bruke en ferromagnetisk materialejern, som det øverste laget av enheten, kan den magnetiske nærhetseffekten produsere magnetisk ordning uten å introdusere forstyrrelser som ville være forårsaket av en alternativ metode for doping med magnetiske urenheter. “Strøm produsert av den kvante-anomale Hall-effekten kan bevege seg langs grensesnittet til et lag uten spredning, som kan brukes i nye energisparende enheter,” sier professor Kuroda Shinji.

For å produsere enheten ble en tynn film av en enkrystall-heterostruktur bestående av et jernlag på toppen av tinntellurid dyrket på en mal ved bruk av molekylær stråleepitaksi. Forskerne målte magnetiseringen av overflaten ved hjelp av nøytroner, som har et magnetisk moment, men ingen elektrisk ladning.

De fant at den ferromagnetiske orden trenger omtrent to nanometer inn i tinntelluridlaget fra grensesnittet med jern og kan eksistere selv ved romtemperatur. “Vår forskning viser veien mot et middel for å realisere neste generasjons spintronikk og kvanteberegningsenheter,” sier professor Kuroda.

Disse applikasjonene kan kreve lag som viser den kvanteanomale Hall-effekten, som denne forskningen har vist er mulig og lett kan produseres.

Forskningen ble publisert i Journal of Physical Chemistry Letters.

---

---