Elektrische stroom wordt afgebogen door een magnetisch veld - in geleidende materialen, dit leidt tot het zogenaamde Hall-effect. Dit effect wordt vaak gebruikt om magnetische velden te meten. Nu is er een verrassende ontdekking gedaan aan de TU Wien, in samenwerking met wetenschappers van het Paul Scherrer Instituut (Zwitserland), McMater-universiteit (Canada), en Rice University (VS):een exotisch metaal gemaakt van cerium, bismut en palladium werden onderzocht en het materiaal bleek een gigantisch Hall-effect te produceren, in de totale afwezigheid van een magnetisch veld. De reden voor dit onverwachte resultaat ligt in de ongebruikelijke eigenschappen van de elektronen:ze gedragen zich alsof magnetische monopolen in het materiaal aanwezig zijn. Deze ontdekkingen zijn nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS .

Een spanning loodrecht op de stroom

Wanneer een elektrische stroom door een metalen strip gaat, elektronen bewegen van de ene naar de andere kant. Als er een magneet naast deze strip wordt geplaatst, er werkt een kracht op de elektronen - de zogenaamde Lorentzkracht. De baan van de elektronen door de metalen strip is niet meer recht, het is een beetje gebogen. Daarom, er zijn nu meer elektronen aan de ene kant van de metalen strip dan aan de andere, en dit creëert een spanning - loodrecht op de richting waarin de stroom vloeit. Dit is het klassieke Hall-effect, zoals het al jaren bekend is.

"Het meten van de sterkte van het Hall-effect is een van de manieren waarop we materialen in ons laboratorium karakteriseren, ", zegt prof. Silke Bühler-Paschen van het Institute of Solid State Physics aan de TU Wien. "Van zo'n experiment kun je veel leren over het gedrag van elektronen in vaste toestand." Toen Sami Dzsaber, die aan zijn proefschrift werkte in de onderzoeksgroep van Bühler-Paschen, onderzocht het materiaal Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ , hij nam zijn taak zeer serieus en voerde ook een meting uit zonder magneetveld. "Werkelijk, dit is een ongebruikelijk idee, maar in dit geval was het de beslissende stap, ", zegt Silke Bühler-Paschen.

Uit de meting bleek dat het materiaal een Hall-effect vertoont, zelfs zonder een extern magnetisch veld - en niet alleen een normaal Hall-effect, maar een enorme. Bij normale materialen een Hall-effect van deze sterkte kan alleen worden geproduceerd met enorme elektromagnetische spoelen. "Dus moesten we een andere vraag beantwoorden, " zegt Silke Bühler Paschen. "Als een Hall-effect optreedt zonder een extern magnetisch veld, hebben we misschien te maken met extreem sterke lokale magnetische velden die op microscopische schaal in het materiaal optreden, maar buiten niet meer voelbaar?"

Daarom is er onderzoek gedaan aan het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland:Met behulp van muonen - elementaire deeltjes die bijzonder geschikt zijn voor het onderzoeken van magnetische verschijnselen - werd het materiaal nader onderzocht. Maar het bleek dat zelfs op microscopische schaal geen magnetisch veld kon worden gedetecteerd. "Als er geen magnetisch veld is, dan is er ook geen Lorentzkracht die op de elektronen in het materiaal kan inwerken - maar toch werd er een Hall-effect gemeten. Dat is echt opmerkelijk, ", zegt Silke Bühler-Paschen.

Symmetrie is wat telt

De verklaring voor dit vreemde fenomeen ligt in de gecompliceerde interactie van de elektronen. "De atomen van dit materiaal zijn gerangschikt volgens zeer specifieke symmetrieën, en deze symmetrieën bepalen de zogenaamde dispersierelatie - dat is de relatie tussen de energie van de elektronen en hun momentum. De dispersierelatie vertelt ons hoe snel een elektron kan bewegen als het een bepaalde energie heeft, "zegt Bühler-Paschen. "Het is ook belangrijk op te merken dat je de elektronen hier niet afzonderlijk kunt bekijken - er zijn sterke kwantummechanische interacties tussen hen."

Deze complexe interactie resulteert in verschijnselen die er wiskundig uit zien alsof er magnetische monopolen in het materiaal zijn, d.w.z. eenzame noord- en zuidpool, die in deze vorm niet in de natuur voorkomen. "Maar het heeft eigenlijk het effect van een zeer sterk magnetisch veld op de beweging van de elektronen, ", zegt Bühler-Paschen.

Het effect was al theoretisch voorspeld voor eenvoudigere materialen, maar niemand had het kunnen bewijzen. De doorbraak kwam met het onderzoek naar een nieuwe klasse materialen:"Ons materiaal met de chemische samenstelling Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ wordt gekenmerkt door een bijzonder sterke interactie tussen de elektronen, " legt Bühler-Paschen uit. "Dit staat bekend als het Kondo-effect. Het zorgt ervoor dat deze fictieve magnetische monopolen precies de juiste energie hebben om de geleidingselektronen in het materiaal extreem sterk te beïnvloeden. Dit is de reden waarom het effect meer dan duizend keer groter is dan theoretisch voorspeld."

Het nieuwe gigantische spontane Hall-effect biedt enig potentieel voor kwantumtechnologieën van de volgende generatie. In dit veld, bijvoorbeeld, van belang zijn niet-wederkerige elementen die richtingsafhankelijke verstrooiing produceren zonder een extern magnetisch veld; ze zouden met dit effect kunnen worden gerealiseerd. "Het extreem niet-lineaire gedrag van het materiaal is ook van groot belang, ", zegt Silke Bühler-Paschen. "Het feit dat complexe veeldeeltjesfenomenen in vaste stoffen onverwachte toepassingsmogelijkheden opleveren, maakt dit onderzoeksgebied bijzonder boeiend."