La corriente eléctrica es desviada por un campo magnético; en materiales conductores esto conduce al llamado efecto Hall. Este efecto se usa a menudo para medir campos magnéticos. En la TU Wien se ha hecho un descubrimiento sorprendente, en colaboración con científicosdel Instituto Paul Scherrer Suiza, la Universidad McMaster Canadá y la Universidad Rice EE. UU.: se examinó un metal exótico hecho de cerio, bismuto y paladio y se encontró que el material producía un efecto Hall gigante, en elausencia total de cualquier campo magnético. La razón de este resultado inesperado radica en las propiedades inusuales de los electrones: se comportan como si los monopolos magnéticos estuvieran presentes en el material. Estos descubrimientos se han publicado ahora en la revista científica PNAS .
Un voltaje perpendicular a la corriente
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de una tira de metal, los electrones se mueven de un lado a otro. Si se coloca un imán al lado de esta tira, una fuerza actúa sobre los electrones, la llamada fuerza de Lorentz. La trayectoria delelectrones a través de la tira de metal ya no es recto, está un poco doblado. Por lo tanto, ahora hay más electrones en un lado de la tira de metal que en el otro, y esto crea un voltaje, perpendicular a la dirección en la que la corrienteflujos. Este es el efecto Hall clásico, como se conoce desde hace muchos años.
"Medir la fuerza del efecto Hall es una de las formas en que caracterizamos los materiales en nuestro laboratorio", dice la profesora Silke Bühler-Paschen del Instituto de Física del Estado Sólido en TU Wien. "Puede aprender mucho sobre el comportamientode electrones en estado sólido de tal experimento ". Cuando Sami Dzsaber, que estaba trabajando en su disertación en el grupo de investigación de Bühler-Paschen, examinó el material Ce3Bi4Pd3, se tomó su tarea muy en serio y también llevó a cabo una medición sin campo magnético. "En realidad, esta es una idea inusual, pero en este caso fue el paso decisivo", dice Silke Bühler-Paschen.
La medición reveló que el material exhibe un efecto Hall incluso sin un campo magnético externo, y no solo un efecto Hall normal, sino uno enorme. En materiales normales, un efecto Hall de esta fuerza solo se puede producir con un enorme efecto electromagnéticobobinas. "Así que tuvimos que responder a otra pregunta", dice Silke Bühler Paschen. "Si se produce un efecto Hall sin un campo magnético externo, ¿quizás estamos tratando con campos magnéticos locales extremadamente fuertes que ocurren a una escala microscópica dentro del material, peroya no se puede sentir afuera? "
Por lo tanto, se llevaron a cabo investigaciones en el Instituto Paul Scherrer en Suiza: con la ayuda de muones, partículas elementales que son particularmente adecuadas para investigar fenómenos magnéticos, el material se examinó más de cerca. Pero resultó que ningún campo magnéticopodría detectarse incluso en una escala microscópica. "Si no hay campo magnético, tampoco hay fuerza de Lorentz que pueda actuar sobre los electrones en el material, pero no obstante se midió un efecto Hall. Eso es realmente notable", diceSilke Bühler-Paschen.
La simetría es lo que cuenta
La explicación de este extraño fenómeno radica en la complicada interacción de los electrones. "Los átomos de este material están dispuestos de acuerdo con simetrías muy específicas, y estas simetrías determinan la llamada relación de dispersión, es decir, la relación entre la energíade los electrones y su momento. La relación de dispersión nos dice qué tan rápido puede moverse un electrón cuando tiene cierta energía ", dice Bühler-Paschen." También es importante tener en cuenta que aquí no se pueden mirar los electrones individualmente -hay fuertes interacciones de mecánica cuántica entre ellos ".
Esta compleja interacción da como resultado fenómenos que matemáticamente parecen como si hubiera monopolos magnéticos en el material, es decir, polos norte y sur solitarios, que no existen en esta forma en la naturaleza. "Pero en realidad tiene el efecto de una muy fuertecampo magnético en el movimiento de los electrones ", dice Bühler-Paschen.
El efecto ya se había predicho teóricamente para materiales más simples, pero nadie había podido probarlo. El avance se produjo con la investigación de una nueva clase de materiales: "Nuestro material con la composición química Ce3Bi4Pd3 se caracteriza por uninteracción entre los electrones ", explica Bühler-Paschen." Esto se conoce como el efecto Kondo. Hace que estos monopolos magnéticos ficticios tengan exactamente la energía adecuada para influir en los electrones de conducción en el material de manera extremadamente fuerte. Esta es la razón por la que el efectoes más de mil veces más grande de lo que se predice teóricamente ".
El nuevo efecto Hall espontáneo gigante tiene cierto potencial para las tecnologías cuánticas de próxima generación. En este campo, por ejemplo, los elementos no recíprocos que producen una dispersión dependiente de la dirección completamente sin un campo magnético externo son importantes; podrían realizarse conEste efecto. "El comportamiento extremadamente no lineal del material también es de gran interés", dice Silke Bühler-Paschen. "El hecho de que los fenómenos complejos de muchas partículas en los sólidos dan lugar a posibilidades de aplicación inesperadas hace que este campo de investigación sea particularmente interesante. "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Tecnológica de Viena . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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