Физики решили загадку, 140 лет скрывавшуюся в одном из фундаментальных физических понятий

Ученые-физики нашли способ, позволивший получить доступ к информации, имеющей отношение к одному из фундаментальных физических явлений, к эффекту Холла, и ускользавшей от них в течение 140 лет. Напомним читателям, что физик Эдвин Холл (Edwin Hall) в 1879 году обнаружил, что электрический ток в проводнике, помещенном в магнитное поле, создает электрическое поле и потенциал, вектор которых направлен перпендикулярно направлению движения тока. Это явление, получившее название эффекта Холла, широко используется в современной электронике и других областях, включая исследования полупроводниковых материалов. Но, к сожалению, именно сам эффект Холла служит препятствием к проведению измерений некоторых видов.

Иллюстрация эффекта в действии
© IBM

Не так давно исследователи компании IBM, университета Дюка и корейского Института науки и передовых технологий (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) разработали метод получения информации, измерение которой было ранее «заблокировано» эффектом Холла.

Для того, чтобы понять о чем идет речь, необходимо провести небольшой экскурс в физику. Известно, что движение электрических зарядов в полупроводниках имеет дискретный характер из-за того, что оно обеспечивается движением отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных «электронных дырок», представляющих собой отсутствующий в кристаллической структуре материала электрон. Ученые при помощи эффекта Холла изучают особенности движения носителей заряда в материалах, вычисляя их плотность и скорость перемещения. Позже эффект Холла использовался для изучения эффектов воздействия света на различные материалы, в которых свет выбивает из атомов электроны, формируя свободные электроны и электронные дырки.

Но все исследовательские методы на базе эффекта Холла могут давать значимые результаты по отношению к носителям заряда, присутствующим в материале в большем количестве. Т.е. если в материале имеется большее количество электронов, то есть возможность получить информацию об электронах, в обратом случае становится доступна лишь информации о носителях противоположного заряда — электронных дырках.

Используя теоретические расчеты, исследователи нашли способ одновременного получения информации о носителях электрического заряда обоих типов. И ключевым моментом в этом деле стала дополнительная энергия, закачиваемая в материал при помощи света. Под воздействием этой дополнительной энергии носители заряда различной полярности начинают вести себя несколько по-разному, при этом возникает некий дисбаланс, величина которого определяется математическим уравнением, разработанным учеными.

Для того, чтобы такой метод мог работать на практике, требуется технология уменьшения тепловых шумов и других помех, которые искажают влияние эффекта Холла. Для этого исследователи компании IBM разработали систему, называемую параллельной дипольной линией, которая состоит из пары цилиндрических магнитов, совокупное поле которых действует как магнитная ловушка. В эту ловушку помещаются два образца, один из исследуемого полупроводникового материала, второй — из светочувствительного материала, называемого перовскитом. Проводя измерения и используя упомянутое выше уравнение, ученые получают данные о носителях электрического заряда обоих типов одновременно.

Найденный учеными метод может стать весьма полезным инструментом в областях, имеющих отношение к солнечной энергетике, фотоэлектронике и т.п. Кроме этого, при его помощи можно провести научные исследования новых типов, в которых изучаются взаимодействия между магнитными полями, электрическим током и светом.

Однако, сейчас существует целый ряд ограничений, которые будут препятствовать практическому использованию нового метода. Он, этот метод, надежно работает в условиях наличия большого количества носителей электрического заряда. Материалы с малым количеством носителей, для получения значимого результата требуется освещать светом очень мощного лазера, а этот высокоэнергетический свет может расплавить материал или вызвать нежелательные структурные изменения.

Однако, в любом случае, данное достижение является тем, что способно продвинуть вперед наше понимание того, что происходит на самом деле внутри фундаментальных физических явлений. А это понимание, в свою очередь, может стать в будущем основой для создания массы новых технологий, выглядящих для нас сейчас чем-то из разряда научной фантастики.

Статья опубликована в журнале Nature 
Источник: dailytechinfo.org