یه خبر خیلی جالب از فیزیکدان‌های ژاپنی دارم که خودشونم کلی هیجان‌زده شدن! داستان درباره «اثر هال» هست. حالا شاید باورت نشه اما یه مدل ویژه و کمیاب از این اثر رو، که بهش Anomalous Hall Effect یا همون «اثر هال غیرمعمول» میگن، برای اولین بار تو یه ماده غیرمغناطیسی دیدن. (فقط سریع بگم: «اثر هال» پدیده‌ایه که وقتی جریان برق از یه رسانا یا نیمه‌رسانا بگذره و تو همون زمان یه میدان مغناطیسی هم باشه، یه ولتاژ متفاوت ایجاد میشه. این پدیده رو سال ۱۸۷۹ یه آدم زرنگ به اسم ادویین هال پیدا کرد.)
حالا معمولاً وقتی درباره این اثر صحبت می‌کنیم، ذهنمون میره سمت مواد مغناطیسی چون بر اساس گفته دانشمندها، همیشه تصور میشد که اثر هال غیرمعمول فقط وقتی دیده میشه که خود ماده خاصیت مغناطیسی داشته باشه و اسپین الکترون‌ها (جهت چرخش خودشون) تو اون ماده باعث این اتفاق بشه. اما اون چیزی که تیم ژاپنی پیدا کردن کل داستانو تغییر داد!
توی این تحقیق، یه ماده عجیب غریب به اسم «آرسنید کادمیوم» (Cd3As2) رو برداشتن و شروع کردن به آزمایش کردن. این ماده جزو دسته «دایراک نیمه‌فلزها»ست. (اینم توضیح بدم: دایراک نیمه‌فلزها یعنی مواد عجیبی که تو ساختارشون نقطه‌های خاصی به اسم Dirac Point دارن و باعث میشه الکترون‌هاشون انگار جرم ندارن یا خیلی خیلی سبکن. با یه میدان مغناطیسی درست حسابی، رفتار این الکترون‌ها شدیداً تغییر میکنه و میرن سمت نقطه وایِل.)
حالا دست‌اندرکارای این پژوهش، به سرپرستی پروفسور آسوشیتد ماساکی اوچیدا از موسسه فناوری و علوم توکیو، اومدن و لایه‌های خیلی خالص و نازکی از آرسنیدکادمیوم درست کردن (تحقیق در حد وسواس علمی!). این کار رو با روشی به اسم molecular beam epitaxy انجام دادن، یعنی ساخت لایه‌های ماده توی شرایط کاملاً کنترل شده و دقیق.
ولی داستان به همینجا ختم نمیشه. اونا به‌جای اینکه طبق معمول، میدان مغناطیسی رو عمود بر سطح ماده بذارن، اومدن و میدان مغناطیسی رو تو همون صفحه ماده یعنی به صورت افقی اعمال کردن (که این خودش خیلی غیرمعمول بود!). علاوه بر این، تونستن ساختار باند الکترونی ماده رو هم به شکل قابل کنترل دستکاری کنن (بند استراکچر یا ساختار نواری یعنی الگویی که نشون میده الکترون‌ها توی یه ماده چجوری حرکت می‌کنن). با این ترفند، تونستن اثر هال عادی رو فیلتر کنن تا فقط اثر عجیب و غریب یا همون AHE دیده بشه.
نتیجه؟ تونستن هادیّت هال رو مستقیم اندازه بگیرن و یه سیگنال AHE بزرگ (اثر هال غیرمعمول) داخل همون فیلم‌های آرسنید کادمیوم مشاهده کنن! و مهم‌تر اینکه این بار دیگه اسپین مغناطیسی نقش نداشت. بلکه این اثر به خاطر «مغناطش مداری» بوده؛ یعنی حرکت دایره‌ای خود الکترون‌ها، نه صرفاً اسپین. (مغناطش مداری یعنی وقتی جهت حرکت الکترون‌ها توی مداری به شکل دایره‌ای بچرخه و خودش باعث خاصیت مغناطیسی بشه.)
این کشف مهمه چون تا حالا اکثر دانشمندها نقش مدار رو خیلی جدی نمی‌گرفتن و فکر می‌کردن همه‌چی مربوط به اسپینِ الکترون‌هاست. اما حالا ثابت شد که این برداشت همیشه درست نیست و حتی مواد غیرمغناطیسی هم می‌تونن این اثر عجیب رو نشون بدن.
اما چرا اینقدر این کشف مهمه؟ چون الان می‌تونیم به فناوری‌های جدید تر فکر کنیم: مثلاً سنسورهای هال جدید، یا حتی قطعات الکترونیکی و تکنولوژی‌هایی مثل spintronics (اسپینترونیکس یعنی استفاده از اسپین الکترون‌ها — و حالا شاید مدارشون! — توی مدارات الکترونیکی واسه ساخت دستگاه‌های خاص و پیشرفته)، که دیگه وابسته به مغناطیس نیستن و ظرفیتشون واسه کوچیک‌تر، سریع‌تر و همه‌کاره‌تر شدن خیلی زیاده.
خود پروفسور اوچیدا هم گفته این نتایج قراره هم تحقیقات پایه‌ای رو درباره فیزیک الکترون‌ها جلو ببره، هم راه رو باز کنه برای ساخت دستگاه‌هایی که از این اثر هال عجیب تو مواد غیرمغناطیسی نهایت استفاده رو ببرن. تکنولوژی‌های آینده بر اساس این کشف می‌تونن پیشرفته‌تر و بهینه‌تر از قبل باشن.
اگه دوست داری خودت سراغ مقاله اصلی بری، این تحقیق تو مجله Physical Review Letters چاپ شده!
منبع: +
