Vedci zbúrali 145 rokov starý predpoklad fyziky. Slávny jav funguje aj tam, kde nemal

Fyzika pevných látok zažíva poriadne zemetrasenie. Tím vedcov z prestížnej americkej Carnegie Mellon University vyvrátil základný predpoklad o fenoméne, ktorý v učebniciach fyziky svieti už od 19. storočia. Ukázali, že slávny Hallov jav funguje aj vtedy, keď magnetické pole nepôsobí kolmo na materiál, ale priamo v jeho rovine.

Tento objav nie je iba teoretickým triumfom. Má obrovský vplyv na vývoj novej generácie miniatúrnych magnetických senzorov, ktoré denne využívame v automobiloch, smartfónoch, lekárskych prístrojoch či počítačových klávesniciach. Podobne zásadný posun vidíme aj pri iných prelomových zisteniach vo fyzike.

Štúdia publikovaná v prestížnom časopise Nature Materials dokazuje, že moderné manipulácie s materiálmi na úrovni jednotlivých atómov dokážu prelomiť limity, ktoré sme považovali za nemenné prírodné zákony.

Pravidlo z roku 1879, ktoré brzdilo inovácie

Keď americký fyzik Edwin Hall v roku 1879 objavil po ňom pomenovaný jav, položil základ pre modernú diagnostiku materiálov. Zistil, že ak cez vodič prechádza elektrický prúd a kolmo naň pôsobí magnetické pole, pohybujúce sa náboje sa vychýlia k jednej strane. Vznikne tak merateľné napätie, známe ako Hallovo napätie.

Celých 145 rokov fyzici predpokladali, že tento efekt môže fungovať výhradne vtedy, keď magnetické pole smeruje presne kolmo na rovinu materiálu. Všetky existujúce senzory a meracie prístroje boli skonštruované na základe tejto striktnej geometrie.

Ak si chcel merať magnetické pole vo viacerých osiach súčasne, musel si vedľa seba poskladať viacero samostatných senzorov natočených do rôznych smerov. To zbytočne navyšovalo rozmery aj spotrebu energie v miniatúrnej elektronike.

Zázrak z atómových vrstiev

Výskumníci z laboratória LIQUID na Carnegie Mellon University pod vedením docenta Simranjeeta Singha tento mýtus úplne zbúrali. Podarilo sa im v praxi demonštrovať takzvaný planárny anomálny Hallov jav, ktorý teoretici dlho predpovedali, no nikto ho nevedel experimentálne overiť.

Kľúčom k úspechu bolo vytvorenie špeciálneho kvantového sendviča. Vedci siahli po exotickej zlúčenine tantalu, irídia a telúru (TaIrTe4), ktorej kryštálová mriežka mala presne potrebnú vnútornú symetriu. Túto vrstvu zredukovali na hrúbku len niekoľkých atómov.

Následne k nej pridali magnetickú vrstvu Cr2Ge2Te6 (CGT). Keďže sa obe vrstvy dotýkajú na atomárnej úrovni, magnetické vlastnosti z jednej vrstvy sa preniesli do druhej bez toho, aby poškodili jej výnimočnú elektrickú vodivosť.

Jeden čip namiesto zložitého hardvéru

Výsledok predčil očakávania samotných vedcov. Vytvorené ultratenké zariadenie dokázalo bez problémov zaznamenať magnetické pole pôsobiace v rovine samotného čipu aj kolmo naň.

V praxi to znamená obrovský skok pre vektorovú magnetometriu. Namiesto dvoch či troch rozmerných súčiastok teraz postačí jediný atómovo tenký senzor, ktorý dokáže okamžite určiť silu aj presný trojrozmerný smer magnetického poľa.

Technológia môže zásadne zjednodušiť navigačné systémy, diagnostiku v medicíne pomocou magnetickej rezonancie a znížiť výrobné náklady na bezpečnostné systémy v moderných elektromobiloch.

Čo bude nasledovať

Teoretický fyzik Shubhayu Chatterjee prostredníctvom počítačových modelov potvrdil, že za týmto správaním stojí znížená symetria na rozhraní materiálov, ktorá spúšťa silnú spin-orbitálnu väzbu. Práve tá umožňuje elektrónom reagovať na magnetické pole v nečakaných uhloch.

Hoci experiment zatiaľ prebehol pri nízkych teplotách, tím už intenzívne testuje ďalšie materiálové kombinácie, ktoré budú schopné vykazovať rovnaký efekt pri bežnej izbovej teplote.

Ukazuje sa, že manipulácia s hmotou na úrovni jednotlivých vrstiev atómov predstavuje skutočnú revolúciu. Zdanlivo neotrasiteľné fyzikálne princípy z 19. storočia tak definitívne ustupujú možnostiam modernej kvantovej technológie.

Čítajte viac z kategórie: Novinky