打开网易新闻 查看精彩图片

美国卡内基梅隆大学研究团队近日宣布，他们发现了一种此前未被证实的霍尔效应新形态，颠覆了这一物理学基石效应长期以来被视为理所当然的一条基本假设。

这项成果不仅拓展了物理学界对霍尔效应的理解，也有望在未来推动应用于电子设备、交通运输和医学成像领域的磁传感器变得更加简洁灵活。相关论文已发表于《自然·材料》期刊。

一个多世纪的物理常识

科学家们依赖霍尔效应已超过一个世纪。1879年,埃德温·霍尔发现，当磁场垂直施加于载流材料时，移动的电荷会被推向材料一侧，从而形成可测量的电压信号。这一信号能够揭示材料的诸多重要特性，包括电流究竟由正电荷还是负电荷承载、载流子数量多少，以及它们移动的难易程度，如今霍尔效应传感器已被广泛应用于从汽车到电脑键盘的各类技术产品中。

卡内基梅隆大学物理系"量子材料、界面与器件实验室"的研究人员如今证明,这种效应还存在一种截然不同的表现形式。该校物理学副教授辛姆兰吉特·辛格表示，长期以来人们认为霍尔效应只有在磁场垂直于材料薄膜平面时才会出现，而他们的研究证明这一认知并不准确——即便磁场处于材料平面内部，同样能够产生响应信号。

从理论预测到实验验证

这一"面内反常霍尔效应"此前虽在理论上已有预测，却始终未能在实验中得到验证。辛格坦言，尽管相关设想早已提出，真正的难点在于找到一种具备恰当对称性的磁性材料来实现它,而他们的突破正在于既找到了具备正确对称结构的材料,又成功赋予了它磁性。

为完成这一实验，研究团队与专注于二维量子材料器件制造的物理学副教授乔蒂·卡托赫展开合作。团队从碲化钽铱这种具备所需对称结构的晶体材料入手，将其减薄至仅有几个原子层的厚度，随后将其与磁性材料碲化铬锗紧密贴合。由于两层材料距离极近，磁性层的磁行为得以影响本身并不具备磁性的碲化钽铱，使其获得磁学特性，同时保留原有的电子学特征。

单一器件实现多方向磁场探测

打开网易新闻 查看精彩图片

在这种原子级薄膜器件内部，研究人员不仅探测到了熟悉的传统霍尔信号，还捕捉到了第二种与平面内磁化方向相关的非常规信号。这一发现具有重要的潜在应用价值：单个超薄器件便能够同时探测多个轴向的磁场，而以往若要在两个方向上测量磁场，则必须使用两个独立的传感器。

辛格表示，这项成果拓宽了这类材料的潜在应用范围，未来仅凭一个传感器就能实现多维度磁场探测。与此同时，该校物理学助理教授舒巴尤·查特吉通过理论建模，深入分析了这一效应产生的原因及其背后的对称性机制。他解释称，与碲化铬锗结合后material对称性的降低，使界面处产生了额外的自旋轨道耦合,而这正是碲化铬锗在低温下转变为铁磁体后,面内反常霍尔效应得以出现的关键因素,不过要彻底厘清具体机制,仍需要对少层碲化钽铱材料展开更细致的表征研究。

目前，该实验室团队正在探索能够产生同样非常规霍尔响应的其他材料组合，同时也在测试该器件在室温环境下的表现，这将是这项技术未来能否真正走向实际应用的关键门槛。