研究人员控制反常霍尔效应和贝里曲率来制造柔性量子磁体

我们一些最重要的日常用品，例如计算机、医疗设备、音响、发电机等，都是通过磁铁来工作的。我们知道当计算机变得更强大时会发生什么，但如果磁铁变得更通用，会发生什么?如果人们可以改变定义其可用性的物理属性怎么办?这可能会促进什么创新?

麻省理工学院等离子体科学与聚变中心(PSFC)的研究科学家HangChi、YunboOu、JagadeeshMoodera及其合著者在一篇新的、开放获取的《自然通讯》论文中探讨了这个问题，“准应变可调谐贝里曲率”二维碲化铬。”

要了解作者发现的重要性，需要回顾一下过去：1879年，一位名叫埃德温·霍尔(EdwinHall)的23岁研究生发现，当他将一块磁铁与一条有电流流动的金属条成直角时，他发现，通过它，条带的一侧将比另一侧具有更大的电荷。磁场使电流的电子向金属边缘偏转，这种现象后来被命名为霍尔效应，以纪念他。

在霍尔时代，经典物理系统是唯一的一种，像重力和磁力这样的力以可预测和不可改变的方式作用于物质：就像掉落一个苹果会导致它掉落，用一条带电的带子形成一个“T”金属和磁铁产生霍尔效应，完全停止。事实并非如此，真的;现在我们知道量子力学也发挥了作用。

将经典物理学想象成亚利桑那州的地图，将量子力学想象成穿越沙漠的汽车之旅。地图提供了有关该区域的宏观视图和一般信息，但它无法让驾驶员为可能遇到的所有随机事件做好准备，例如一只犰狳跑过马路。量子空间，就像司机的旅程一样，受到一套不同的当地交通规则的管辖。因此，虽然在经典系统中霍尔效应是由施加的磁场引起的，但在量子情况下，即使没有外部场，霍尔效应也可能发生，此时它就成为反常霍尔效应。

当在量子领域中航行时，人们会具备所谓的“贝里相”的知识，该相是以英国物理学家迈克尔·贝里的名字命名的。它充当汽车的GPS记录器：就好像驾驶员从头到尾记录了整个行程，通过分析GPS历史记录，可以更好地绘制空间的起伏或“曲率”。量子景观的这种“贝里曲率”可以自然地将电子转移到一侧，在没有磁场的情况下引发霍尔效应，就像山丘和山谷决定汽车的路径一样。

虽然许多人观察到磁性材料中的反常霍尔效应，但没有人能够通过挤压和/或拉伸来操纵它，直到该论文的作者开发出一种方法来证明不寻常磁体中反常霍尔效应和贝里曲率的变化。

首先，他们采用了半毫米厚的由氧化铝或钛酸锶(这两种材料都是晶体)制成的底座，并在底座顶部生长了一层非常薄的碲化铬(一种磁性化合物)。这些材料本身并没有多大作用。然而，当结合起来时，薄膜的磁性及其与薄膜生长的基底形成的界面会导致各层拉伸或挤压。

为了加深对这些材料如何协同工作的理解，研究人员与橡树岭国家实验室(ORNL)的散裂中子源合作进行中子散射实验——本质上是用粒子束喷射材料并研究反弹的内容——以了解有关薄膜化学和磁性特性的更多信息。

中子是这项研究的理想工具，因为它们具有磁性但不带电荷。中子实验使研究人员能够建立一个剖面图，揭示当他们更深入地探索材料时，化学元素和磁性行为如何在不同水平上发生变化。

研究人员目睹了异常霍尔效应和贝里曲率对薄膜施加后基底上发生的挤压或拉伸程度的响应，这一观察后来通过建模和数据模拟得到了验证。

尽管这一突破发生在最小的分子水平上，但科学家们的发现对现实世界产生了重大影响。例如，硬盘驱动器将数据存储在微小的磁性区域中，如果它们是使用薄膜等“应变可调”材料制成的，则它们可以在以不同方式拉伸的区域中存储额外的数据。

在机器人技术中，应变可调材料可用作传感器，能够为机器人的运动和定位提供精确的反馈。这种材料对于“软机器人”特别有用，“软机器人”使用柔软且灵活的组件来更好地模仿生物有机体。或者，当弯曲或弯曲时会改变其行为的磁性装置可用于检测环境的微小变化，或制造极其灵敏的健康监测设备。