Wissenschaftler der Carnegie Mellon University haben eine fast 150 Jahre alte physikalische Annahme widerlegt: Ein ungewöhnlicher Hall-Effekt lässt sich auch durch ein Magnetfeld erzeugen, das parallel zum Material verläuft. Die in Nature Materials veröffentlichte Entdeckung vereint zwei unterschiedliche zweidimensionale Schichten und könnte die Entwicklung simplerer Magnetsensoren ermöglichen.
Seit mehr als einem Jahrhundert lernen Studierende der Physik ein einfaches Prinzip: Wenn Elektrizität durch ein Material fließt, lenkt ein senkrecht dazu stehendes Magnetfeld die bewegten Ladungsträger zur Seite ab. Dadurch entsteht eine messbare Spannung quer zum Material – der sogenannte Hall-Effekt, den Edwin Hall im Jahr 1879 entdeckte. Dieses physikalische Prinzip bildet seither die Grundlage für alltägliche Technologie von Automobilen bis hin zu Computertastaturen.
Doch Forscherinnen und Forscher im Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices (LIQUID) der Carnegie Mellon University haben nun nach Angaben von Berichten in Science Daily gezeigt, dass dieses Phänomen nicht zwingend an eine senkrechte Geometrie gebunden ist. Wissenschaftlich demonstrierten sie eine ungewöhnliche Form des Effekts, bei der ein Magnetfeld innerhalb der Materialebene eine messbare Hall-Antwort erzeugt.
Maßgeschneiderte Materialstrukturen aus Tantalium-Iridium-Tellurid
Zwar gab es in der theoretischen Physik bereits Vorhersagen über einen solchen in-planaren anomalen Hall-Effekt, doch die experimentelle Umsetzung gestaltete sich über Jahre hinweg als äußerst schwierig. Die zentrale Hürde bestand darin, ein Materialsystem mit exakt den passenden Symmetrieeigenschaften zu finden.
Das Forschungsteam der Carnegie Mellon University wählte als Ausgangspunkt Tantalium-Iridium-Tellurid, abgekürzt TaIrTe₄. Dabei handelt es sich um ein zweidimensionales Quantenmaterial, dessen Kristallstruktur prinzipiell die Voraussetzungen für den ungewöhnlichen Effekt mitbringt. Die Wissenschaftler reduzierten das Material auf wenige Atomlagen.
Direkt daneben platzierten sie eine magnetische Schicht aus Chrom-Germanium-Tellurid, bekannt als CGT (Cr₂Ge₂Te₆). Da beide ultradünnen Lagen extrem nah beieinander liegen, überträgt die magnetische Schicht ihren Einfluss auf das an sich nicht-magnetische TaIrTe₄. Das Resultat ist eine atomar dünne Komponente mit speziell konstruierten elektronischen und magnetischen Eigenschaften.
Neue Wege für die Vektor-Magnetometrie
Innerhalb der neuartigen Struktur wiesen die Forscher sowohl das vertraute Hall-Signal als auch ein zweites, unkonventionelles Signal nach, das mit einer Magnetisierung direkt in der Materialebene zusammenhängt. Diese Entdeckung könnte weitreichende Konsequenzen für die Entwicklung von Magnetsensoren haben.
Anstelle von getrennten Sensoren zur Erfassung von Magnetfeldern entlang verschiedener Achsen könnte ein einziges, ultradünnes Bauteil künftig mehrere Richtungen gleichzeitig erkennen. Laut den Berichten eröffnet dies neue Möglichkeiten für die Vektor-Magnetometrie mit potenziellen Anwendungen in der Elektronik, im Transportwesen und in der medizinischen Bildgebung.
Um die physikalischen Ursachen zu verstehen, begleitete das Team die Experimente mit theoretischen Modellen. Dabei zeigte sich, dass die Kombination der beiden Materialien die Symmetrie des Gesamtsystems verringert und zusätzliche Spin-Bahn-Wechselwirkungen an ihrer Grenzfläche ermöglicht. Diese Interaktionen gewinnen an Bedeutung, sobald das CGT-Material bei niedrigen Temperaturen ferromagnetisch wird und so den in-planaren anomalen Hall-Effekt auslöst. Dennoch betonen die Forschenden, dass der exakte mikroskopische Mechanismus noch nicht abschließend geklärt ist und weitere Untersuchungen an wenigen Lagen TaIrTe₄ erforderlich sind.
Suche nach raumtemperaturbetriebenen Alternativen
Nach dem erfolgreichen Nachweis in Fachkreisen arbeitet das Team an der Carnegie Mellon University bereits an den nächsten Schritten. Die Forschenden suchen gezielt nach weiteren Kombinationen zweidimensionaler Materialien, die einen vergleichbaren Effekt erzeugen können.
Als ein weiteres wesentliches Ziel gilt die Prüfung, ob entsprechende Bauteile künftig auch bei Raumtemperatur betrieben werden können. Dieser Schritt gilt in der Fachwelt als entscheidende Voraussetzung für jeden praktischen Technologieeinsatz im Alltag.
