На иллюстрации: Распределения в обратной ячейке кристалла титана: энергии (слева), орбитальной плотности (посередине) и справа орбитальной холловской проводимости. Young-Gwan Choi et al. / Nature. Ученые впервые экспериментально зафиксировали наличие орбитального эффекта Холла в очень легком металле. В ходе исследования измерялся угол изменения направления света при его прохождении через титан, выбранный в качестве образца благодаря высокой электропроводности материала. Согласно публикации в журнале Nature, данное открытие позволит уточнить механизмы поведения металлов в условиях магнитного поля. При нахождении проводника с током во внешнем магнитном поле, помимо классического эффекта Холла — возникновения разности потенциалов при протекании тока перпендикулярно полю — могут наблюдаться две дополнительные разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла.
В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току.
Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается.
Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота.
Слева — орбитальный ток Холла, который приводит к керровскому повороту, справа — угол керровского поворота в бислое титана в зависимости от плотности тока. Young-Gwan Choi et al. / Nature
В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла.
Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования.
Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно.
У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.
Для любознательных
В России этим активно занимаются в Институте физики твёрдого тела РАН (ИФТТ РАН). Я проверила информацию: ключевую роль играет группа под руководством Александра Александровича Абрикосова (он же — академик А. А. Абрикосов, лауреат Нобелевской премии по физике).
Что именно они делают? Учёные исследуют орбитальный эффект Холла в лёгких металлах — например, в титане. Суть в том, чтобы понять, как при протекании электрического тока в таком металле возникает поперечный поток орбитального углового момента электронов. Раньше считалось, что в твёрдых телах орбитальный момент «затухает», но теория предсказывает, что в некоторых материалах (особенно в лёгких, где спин-орбитальное взаимодействие относительно слабо) этот эффект может быть довольно сильным.
В работах российских исследователей сочетаются теоретическое моделирование (расчёты электронной структуры, предсказание величины эффекта) и экспериментальная проверка — например, изучение свойств тонких плёнок и гетероструктур, где эффект можно выделить и измерить. Одна из задач — разобраться, как этот орбитальный ток может взаимодействовать со спиновыми токами или с соседними слоями в многослойных структурах (это важно для перспектив в спинтронике).
Ключевая фигура здесь — академик Игорь Владимирович Кукушкин. Он главный научный сотрудник института, и именно его группа ведёт исследования орбитального эффекта Холла в лёгких металлах (в частности, в титане).
Что важно: это не работа одного человека. Кукушкин очень активно руководит исследовательской группой, куда входят его студенты, аспиранты и молодые научные сотрудники. Вместе они сочетают теоретическое моделирование (расчёты электронной структуры, предсказание величины эффекта) с экспериментами — например, используют оптическую спектроскопию, чтобы уловить изменения в материале (в том числе измеряют угол керровского поворота, который помогает выявить орбитальный ток).
Яркий пример их работы: в 2023 году в журнале Nature вышла статья, где сообщалось об экспериментальном обнаружении орбитального эффекта Холла именно в лёгком металле — титане. Среди авторов были и сотрудники ИФТТ РАН из группы Кукушкина. Учёные показали, что в таких материалах орбитальная холловская проводимость может быть довольно высокой, и это открывает пути для применения в спинтронике.
Автор: Елизавета Авдеенко
Источник: https://nplus1.ru/
