17 ИЮЛЯ 2025г.
Еврейский университет в Иерусалиме. под редакцией Стефани Баум , рецензент Эндрю Зинин
Группа учёных разработала новый эффективный способ обнаружения тонких магнитных сигналов в распространённых металлах, таких как медь, золото и алюминий, используя лишь свет и высокотехнологичную технологию. Их исследование, недавно опубликованное в журнале Nature Communications , может проложить путь к прогрессу во всех областях — от смартфонов до квантовых вычислений.
Давняя загадка: почему мы не видим оптический эффект Холла?
Уже более века учёные знают, что электрические токи изгибаются в магнитном поле — явление, известное как эффект Холла. В магнитных материалах, таких как железо, этот эффект силён и хорошо изучен. Но в обычных немагнитных металлах, таких как медь или золото, он выражен гораздо слабее. Теоретически, родственное явление — оптический эффект Холла — должно помочь учёным наглядно представить поведение электронов при взаимодействии света и магнитных полей. Однако в видимом диапазоне длин волн этот эффект оставался слишком слабым для обнаружения. Научный мир знал о его существовании, но не имел инструментов для его измерения.
«Это было похоже на попытку услышать шёпот в шумной комнате на протяжении десятилетий», — сказал профессор Амир Капуа. «Все знали, что шёпот есть, но у нас не было микрофона, достаточно чувствительного, чтобы его услышать».
Взлом кода: более пристальный взгляд на невидимое
Исследование, возглавляемое докторантом Надавом Ам Шаломом и профессором Амиром Капуа из Института электротехники и прикладной физики Еврейского университета, в сотрудничестве с профессором Бингхаем Яном из Института науки Вейцмана Университета штата Пенсильвания и профессором Игорем Рожанским из Манчестерского университета, посвящено сложной задаче в физике: как обнаружить мельчайшие магнитные эффекты в материалах, которые не являются магнитными.
«Можно подумать, что такие металлы, как медь и золото, магнитно „тихие“ — они не прилипают к холодильнику, как железо, — пояснил профессор Капуа. — Но на самом деле, при определённых условиях, они реагируют на магнитные поля, просто крайне слабо».
Увеличиваем громкость магнитного шепота
Чтобы решить эту проблему, исследователи усовершенствовали метод, называемый магнитооптическим эффектом Керра (МОЭК), который использует лазер для измерения влияния магнетизма на отражение света. Это можно сравнить с использованием мощного фонарика, чтобы уловить самый слабый отблеск на поверхности в темноте. Объединив синий лазер с длиной волны 440 нм с высокоамплитудной модуляцией внешнего магнитного поля , они значительно повысили чувствительность метода. В результате им удалось улавливать магнитные «отголоски» в немагнитных металлах, таких как медь, золото, алюминий, тантал и платина, — задача, ранее считавшаяся практически невозможной.
Почему это важно: когда шум становится сигналом
Эффект Холла — ключевой инструмент в полупроводниковой промышленности и при изучении материалов на атомном уровне: он помогает учёным определить количество электронов в металле. Однако традиционно измерение эффекта Холла подразумевает физическое присоединение к устройству тончайших проводов — процесс трудоёмкий и сложный, особенно при работе с компонентами нанометрового размера. Однако новый подход гораздо проще: достаточно лишь направить лазер на электрическое устройство; провода не нужны. Проведя более глубокое исследование, команда обнаружила, что то, что казалось случайным «шумом» в их сигнале, на самом деле вовсе не было случайным. Вместо этого оно следовало чёткой закономерности, связанной с квантовым свойством, называемым спин-орбитальной связью , которое связывает движение электронов с их вращением — ключевым явлением в современной физике. Эта связь также влияет на рассеивание магнитной энергии в материалах. Эти выводы имеют непосредственное значение для разработки магнитной памяти, спинтронных устройств и даже квантовых систем.
«Это как обнаружить, что статические помехи в радио — это не просто помехи, а кто-то шепчет ценную информацию», — сказал докторант Ам Шалом. «Теперь мы используем свет, чтобы „прослушивать“ эти скрытые сообщения электронов».
Взгляд в будущее: новое окно в спин и магнетизм
Этот метод предлагает неинвазивный, высокочувствительный инструмент для исследования магнетизма металлов — без необходимости использования массивных магнитов или криогенных условий. Его простота и точность могут помочь инженерам создавать более быстрые процессоры, более энергоэффективные системы и датчики с беспрецедентной точностью.
«Это исследование превращает почти 150-летнюю научную проблему в новую возможность», — сказал профессор Капуа.
Интересно, что даже Эдвин Холл, один из величайших учёных всех времён, открывший эффект Холла, пытался измерить его с помощью луча света, но безуспешно. В заключительном предложении своей примечательной статьи 1881 года он подводит итог: «Я думаю, что если бы действие серебра было в десять раз слабее действия железа, эффект был бы обнаружен. Однако такого эффекта не наблюдалось» (Э. Холл, 1881). «Настроившись на правильную частоту и зная, куда смотреть, мы нашли способ измерить то, что когда-то считалось невидимым».
Дополнительная информация: Чувствительный метод MOKE и оптического эффекта Холла на видимых длинах волн: взгляд на затухание Гилберта, Nature Communications (2025).
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено: Еврейским университетом в Иерусалиме
Исследуйте дальше — Квантовые спиновые токи в графене без внешних магнитных полей открывают путь к сверхтонкой спинтронике