Mokslininkai išsprendė 150 metų paslaptį: užfiksavo nematomą efektą, atradimas keičia požiūrį į magnetizmą

Dabar, pasitelkę tik mėlyną lazerį ir patobulintą optinį metodą, mokslininkai pagaliau aptiko šį sunkiai pastebimą reiškinį, vadinamą optiniu Holo efektu.

Šis proveržis atskleidžia anksčiau nežinomus magnetinius reiškinius medžiagose, kurios buvo laikytos magnetiškai „tyliomis“. Tai taip pat atveria duris į naujas kvantinės fizikos, elektronikos ir spintronikos galimybes. Ir visa tai be sudėtingų laidų ar ypatingų sąlygų.

Kaip šviesa padėjo išgirsti tylų signalą

Mokslininkų grupė sukūrė novatorišką būdą itin silpniems magnetiniams signalams aptikti kasdieniuose metaluose, tokiuose kaip varis, auksas ar aliuminis. Jie tai padarė naudodami vien šviesą ir patobulintą optinį metodą. Šis atradimas, publikuotas žurnale Nature Communications, gali turėti įtakos technologijoms nuo išmaniųjų telefonų iki kvantinių kompiuterių.

Jau seniai žinoma, kad elektros srovės išsikreipia veikiamos magnetinių laukų. Šis reiškinys, vadinamas Holo efektu, gerai žinomas magnetinėse medžiagose, pavyzdžiui, geležyje. Tačiau nemetaluose, kurie nėra natūraliai magnetiniai, šis poveikis yra silpnas ir sunkiai pastebimas. 

Optinis Holo efektas, kuris leidžia matyti, kaip elektronai juda, kai vienu metu veikiami tiek šviesos, tiek magnetinio lauko, iki šiol buvo tik teorinis spėjimas. Daugiau nei šimtmetį nebuvo pakankamai jautraus metodo, kuris jį patvirtintų.

Kaip buvo atskleistas „nematomas“ reiškinys

Tyrimą atliko doktorantas Nadavas Am Šalomas kartu su profesoriumi Amiru Kapua iš Hebrajų universiteto Elektros inžinerijos ir taikomosios fizikos instituto bei jų partneriais iš kitų žinomų mokslo institucijų. Jie iškėlė klausimą, kaip aptikti vos pastebimus magnetinius efektus nemagnetinėse medžiagose.

Varis ar auksas paprastai nelaikomi magnetiškais, tačiau mokslininkai įrodė, kad tam tikromis sąlygomis šie metalai visgi reaguoja į magnetinius laukus. Problema buvo ta, kad tie efektai buvo tokie menki, jog jų nebuvo įmanoma pastebėti įprastais metodais.

Tyrėjai atnaujino magnetooptinį Kerro efektą. metodą, kuris matuoja, kaip magnetizmas pakeičia atspindėtą šviesą. Naudodami 440 nanometrų mėlyną lazerį ir stipriai moduliuotą išorinį magnetinį lauką, jie gerokai padidino šio metodo jautrumą. Tokiu būdu jiems pavyko aptikti magnetinius „aidas“ nemagnetiniuose metaluose, tokiose kaip varis, aliuminis, platina ir tantalas.

Kodėl tai svarbu technologijų ateičiai

Tradicinis Holo efektas jau seniai yra vienas pagrindinių įrankių puslaidininkių pramonėje. Jis leidžia mokslininkams nustatyti, kiek elektronų yra metale. Tačiau iki šiol šiam matavimui reikėdavo tiesiogiai prijungti itin plonus laidus prie prietaiso, kas tampa sudėtinga, kai kalbama apie nanometrų dydžio komponentus.

Naujoji metodika yra paprastesnė. Pakanka tik nutaikyti lazerio spindulį į prietaisą jokių laidų nereikia. Be to, tyrėjai nustatė, kad tai, kas anksčiau buvo laikoma signalo triukšmu, iš tikrųjų buvo tvarkinga seka, susijusi su kvantiniu reiškiniu, vadinamu sukinio ir judėjimo sąveika. Ši savybė lemia, kaip magnetinė energija sklinda medžiagose, ir yra svarbi projektuojant naujos kartos atminties laikmenas, kvantines sistemas bei spintronikos prietaisus.

Naujas požiūris į klasikinius reiškinius

Šis tyrimas suteikia jautrų, neinvazinį įrankį tyrinėti magnetizmą net ir tomis sąlygomis, kuriose nereikia didžiulių magnetų ar itin žemos temperatūros. Paprastumas ir tikslumas gali padėti inžinieriams kurti greitesnius procesorius, efektyvesnius įrenginius ir dar tikslesnius jutiklius.

Be to, tyrėjai prisiminė dar 1881 metais Edwino Holo bandymus aptikti šį reiškinį šviesos spinduliu. Tada jam to padaryti nepavyko, nes signalas buvo pernelyg silpnas. Dabar, po 150 metų, pasitelkus tinkamą šviesos bangos ilgį ir jautrią metodiką, senoji mįslė pagaliau išspręsta.

Tai rodo, kad net ir senos teorijos gali atsiskleisti naujai, kai tik atsiranda tinkamos technologijos jas išgirsti.