Elektrisk ström avböjs av ett magnetfält - i ledande material, detta leder till den så kallade Hall-effekten. Denna effekt används ofta för att mäta magnetiska fält. En överraskande upptäckt har nu gjorts vid TU Wien, i samarbete med forskare från Paul Scherrer Institute (Schweiz), McMater University (Kanada), och Rice University (USA):en exotisk metall gjord av cerium, vismut och palladium undersöktes och en gigantisk Hall-effekt visade sig produceras av materialet, i total frånvaro av något magnetfält. Orsaken till detta oväntade resultat ligger i elektronernas ovanliga egenskaper:De beter sig som om magnetiska monopoler fanns i materialet. Dessa upptäckter har nu publicerats i den vetenskapliga tidskriften PNAS .

En spänning vinkelrät mot strömmen

När en elektrisk ström flyter genom en metallremsa, elektroner rör sig från ena sidan till den andra. Om en magnet placeras bredvid denna remsa, en kraft verkar på elektronerna – den så kallade Lorentzkraften. Elektronernas väg genom metallremsan är inte längre rak, den är lite böjd. Därför, det finns nu fler elektroner på ena sidan av metallremsan än på den andra, och detta skapar en spänning – vinkelrät mot den riktning i vilken strömmen flyter. Detta är den klassiska Hall-effekten, som det har varit känt i många år.

"Att mäta styrkan hos Hall-effekten är ett av sätten vi karakteriserar material i vårt laboratorium, " säger prof. Silke Bühler-Paschen från Institutet för fast tillståndsfysik vid TU Wien. "Du kan lära dig mycket om elektronernas beteende i fast tillstånd från ett sådant experiment." När Sami Dzsaber, som arbetade med sin avhandling i Bühler-Paschens forskargrupp, undersökt materialet Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ , han tog sin uppgift på största allvar och gjorde även en mätning utan magnetfält. "Faktiskt, det här är en ovanlig idé – men i det här fallet var det det avgörande steget, säger Silke Bühler-Paschen.

Mätningen visade att materialet uppvisar en Hall-effekt även utan ett externt magnetfält - och inte bara en normal Hall-effekt, men en stor. I vanliga material, en Hall-effekt av denna styrka kan endast produceras med enorma elektromagnetiska spolar. "Så vi var tvungna att svara på en annan fråga, " säger Silke Bühler Paschen. "Om en Hall-effekt uppstår utan ett externt magnetfält, har vi kanske att göra med extremt starka lokala magnetfält som uppstår i mikroskopisk skala inuti materialet, men kan inte längre kännas utanför?"

Undersökningar gjordes därför vid Paul Scherrer-institutet i Schweiz:Med hjälp av myoner – elementarpartiklar som är särskilt väl lämpade för att undersöka magnetiska fenomen – undersöktes materialet närmare. Men det visade sig att inget magnetfält kunde detekteras ens i mikroskopisk skala. "Om det inte finns något magnetfält, då finns det inte heller någon Lorentz-kraft som kan verka på elektronerna i materialet — men ändå uppmättes en Hall-effekt. Det är verkligen anmärkningsvärt, säger Silke Bühler-Paschen.

Symmetri är det som räknas

Förklaringen till detta märkliga fenomen ligger i elektronernas komplicerade interaktion. "Atomerna i detta material är ordnade enligt mycket specifika symmetrier, och dessa symmetrier bestämmer den så kallade spridningsrelationen – det vill säga förhållandet mellan elektronernas energi och deras rörelsemängd. Dispersionsrelationen berättar hur snabbt en elektron kan röra sig när den har en viss energi, " säger Bühler-Paschen. "Det är också viktigt att notera att du inte kan titta på elektronerna individuellt här – det finns starka kvantmekaniska interaktioner mellan dem."

Denna komplexa interaktion resulterar i fenomen som matematiskt ser ut som om det finns magnetiska monopoler i materialet – dvs. ensamma nord- och sydpoler, som inte finns i denna form i naturen. "Men det har faktiskt effekten av ett mycket starkt magnetfält på elektronernas rörelse, säger Bühler-Paschen.

Effekten hade redan förutspåtts teoretiskt för enklare material, men ingen hade kunnat bevisa det. Genombrottet kom med undersökningen av en ny klass av material:"Vårt material med den kemiska sammansättningen Ce ₃ Bi ₄ Pd ₃ kännetecknas av en särskilt stark interaktion mellan elektronerna, " förklarar Bühler-Paschen. "Detta är känt som Kondo-effekten. Det gör att dessa fiktiva magnetiska monopoler har exakt rätt energi för att påverka ledningselektronerna i materialet extremt starkt. Detta är anledningen till att effekten är mer än tusen gånger större än vad som teoretiskt förutspåtts."

Den nya gigantiska spontana Hall-effekten har viss potential för nästa generations kvantteknologier. Inom detta område, till exempel, icke-reciproka element som producerar riktningsberoende spridning helt utan ett yttre magnetfält är av betydelse; de skulle kunna förverkligas med denna effekt. "Det extremt icke-linjära beteendet hos materialet är också av stort intresse, ", säger Silke Bühler-Paschen. "Det faktum att komplexa fenomen med många partiklar i fasta ämnen ger upphov till oväntade tillämpningsmöjligheter gör detta forskningsområde särskilt spännande."