Новое исследование, проведенное международной научно-исследовательской группой, впервые уловило чрезвычайно слабые магнитные сигналы в повседневных металлах, что позволило таким металлам, как золото, медь и алюминий, которые считаются «магнитно-тихими», раскрыть «вторую сторону», которая была скрыта почти 150 лет. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Communications и считаются открывшими новые возможности для изучения поведения электронов в металлах.

Классический «эффект Холла» был открыт в конце 19 века для объяснения явления отклонения тока в магнитном поле. Этот эффект совершенно очевиден в ферромагнитных материалах, таких как железо, но чрезвычайно слаб в немагнитных металлах, таких как медь и золото. Теоретически, вытекающий из этого «оптический эффект Холла» также должен существовать, но его сигнал в видимом диапазоне света настолько слаб, что его невозможно наблюдать непосредственно экспериментальными средствами в течение длительного времени. Исследовательская группа сказала, что это похоже на попытку уловить шепот в шумной комнате. «Все верят, что шепот существует, но у них нет достаточно чувствительного «микрофона».

Исследование провели докторанты Надав Ам Шалом и профессор Амир Капуа из Еврейского университета в сотрудничестве с коллегами из Института науки Вейцмана, Университета штата Пенсильвания и Манчестерского университета. Их цель: измерить эти почти невидимые магнитные реакции в металлах, которые в повседневной жизни кажутся совершенно «немагнитными». Капуя рассказал, что люди привыкли думать о меди и золоте как о магнитно «тихих металлах» — они не будут прилипать к дверце холодильника, как железо, но при правильных условиях они все равно будут чрезвычайно тонко реагировать на магнитные поля.

Для достижения этой цели команда значительно повысила чувствительность существующего метода измерения «магнитооптического эффекта Керра» (MOKE). Принцип MOKE заключается в облучении образца лазером и косвенном считывании магнитной информации в материале путем наблюдения за изменением поляризации отраженного света. Исследователи использовали синий лазер с длиной волны 440 нанометров и сильно модулировали внешнее магнитное поле, чтобы «поднять» сигнал на шумовом фоне. Благодаря этому набору улучшений впервые в видимом диапазоне света можно напрямую обнаружить чрезвычайно слабые магнитные сигналы в ряде металлов, таких как медь, золото, алюминий, тантал и платина.

Исследование показало, что эти экспериментальные результаты в определенной степени согласуются с классической теорией Лоренца-Друде, которая используется для описания поведения электронов в электромагнитных полях. Однако фактические данные также выявили детали, которые не могут быть полностью охвачены классической теорией, такие как дополнительный вклад в сигнал динамики плазмы и межзонных переходов, а это означает, что реакция электронов в металлах более сложна, чем та, которую изображают существующие модели. Еще более неожиданно то, что «шум» в эксперименте не был полностью случайным, а продемонстрировал четкую корреляцию с силой спин-орбитального взаимодействия металла.

Так называемая спин-орбитальная связь — это связь между собственным спином электрона и его орбитальным движением. Он считается ключевым параметром в передовых областях, таких как спинтроника и топологические материалы. Анализ команды полагает, что этот вид «усиленного» шума с усилением спин-орбитальной связи на самом деле является продуктом взаимодействия света и спина электрона и связан с усилением гильбертовского затухания в материале, то есть с процессом диссипации магнитной энергии в материале. Другими словами, за этими, казалось бы, беспорядочными «статическими шумами» скрывается ценная информация, передаваемая спиновыми степенями свободы.

Исследователи описали это открытие так: «Это все равно что обнаружить, что шорох по радио — это не чистая помеха, а кто-то шепчется внутри». С помощью высокочувствительных оптических средств они начали «понимать» эти слабые сигналы спинов электронов. По сравнению с традиционными электрическими измерениями, требующими проводов и электродов, этот чисто оптический метод не требует подключения к наноразмерным образцам, что значительно снижает сложность эксперимента и повреждение образца.

Поскольку для измерения требуется только лазерный луч и умеренное внешнее магнитное поле и он не зависит от чрезвычайно низких температур или сверхсильных магнитных полей, этот метод имеет большие надежды на потенциальное применение в технике и материаловедении. В документе отмечается, что эта технология, как ожидается, будет использоваться в областях магнитной памяти, спиновой электроники и квантовых вычислений, помогая исследователям более точно охарактеризовать магнитные и электрические взаимодействия внутри материалов в реальных рабочих условиях. Для приборостроения это означает бесконтактную диагностику «темной магнитной стороны» материалов в условиях, максимально приближенных к реальным условиям применения.

Стоит отметить, что эта работа в некотором смысле выполняет «неоконченное желание» Эдвина Холла, первооткрывателя эффекта Холла. В своем первоначальном исследовании в 1881 году Холл пытался использовать оптические методы для наблюдения связанных эффектов, но потерпел неудачу из-за технических ограничений того времени. В статье он сетовал, что, если бы эффект серебра мог достигать одной десятой от эффекта железа, он мог бы видеть оптические эффекты, но, к сожалению, он не заметил никаких признаков. Теперь, благодаря точной настройке частоты и условий эксперимента, новое поколение исследователей может, наконец, использовать свет, чтобы «увидеть» явления, которые тогда были недостижимы.

За этим достижением стоит совокупное улучшение чувствительности экспериментальных методов за более чем столетие. Для научного сообщества эта часть «магнитного шепота» в повседневных металлах больше не полностью скрыта, а преобразована в экспериментальные данные, которые можно записывать и анализировать. Для будущих технологий эти секретные магнитные подсказки могут в какой-то момент стать ключевой загадкой, способствующей разработке нового поколения устройств хранения, вычислений и квантовых устройств.