In der Ebene liegende Magnetfelder offenbaren neues Hall-Effekt-Verhalten in fortschrittlichen Materialien

In der Ebene liegende Magnetfelder sind für die Auslösung eines anomalen Hall-Effekts in EuCd2Sb2-Filmen verantwortlich, berichten Forscher vom Institute of Science Tokyo. Durch die Untersuchung, wie diese Felder elektronische Strukturen verändern, entdeckte das Team einen großen anomalen Hall-Effekt in der Ebene.

Diese Erkenntnisse, veröffentlicht in Briefe zur körperlichen Untersuchung am 3. Dezember 2024 den Weg für neue Strategien zur Steuerung des elektronischen Transports unter Magnetfeldern ebnen und möglicherweise Anwendungen in Magnetsensoren vorantreiben.

Der Hall-Effekt ist ein grundlegendes Phänomen in der Materialwissenschaft. Es tritt auf, wenn ein Material, das elektrischen Strom führt, einem Magnetfeld ausgesetzt wird, wodurch eine Spannung senkrecht zum Strom und zum Magnetfeld erzeugt wird. Dieser Effekt wurde ausführlich in Materialien untersucht, die Magnetfeldern außerhalb der Ebene ausgesetzt sind. Die Forschung darüber, wie in der Ebene liegende Magnetfelder dieses Phänomen induzieren, ist jedoch sehr begrenzt.

In den letzten Jahren haben magnetische Felder in der Ebene aufgrund ihres Potenzials, neue Materialverhaltensweisen zu erschließen, wachsendes Interesse geweckt, insbesondere bei Materialien mit singulären Punkten in ihren elektronischen Bandstrukturen, wie z. B. EuCd2Sb2.

Vor diesem Hintergrund untersuchte ein Forscherteam des Institute of Science Tokyo und des RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) unter der Leitung von außerordentlichem Professor Masaki Uchida, wie in der Ebene liegende Magnetfelder den anomalen Hall-Effekt in EuCd2Sb2-Filmen induzieren. Ihre Studie gibt Aufschluss darüber, wie diese Felder eine deutliche Veränderung elektronischer Bandstrukturen bewirken.

Uchida erklärt: „Unsere Ergebnisse zeigen eine neue Möglichkeit auf, den Hall-Effekt in magnetischen Materialien zu manipulieren. Dies eröffnet spannende Möglichkeiten für zukünftige Technologien, die auf präziser Magnetfeldmessung basieren, wie beispielsweise die Magnetsensorik.“

Die Bemühungen des Teams ergaben, dass Magnetfelder in der Ebene zu einem deutlich großen anomalen Hall-Effekt in dünnen EuCd2Sb2-Filmen führen. Dieser Effekt ändert sein Vorzeichen mit der Drehung des Magnetfelds in der Ebene und zeigt eine klare dreizählige Symmetrie für die Drehung der Magnetfelder in der Ebene.

Darüber hinaus ergab die Studie, dass diese Effekte mit einer ungewöhnlichen Verschiebung der einzelnen Punkte in elektronischen Bandstrukturen aus der Ebene verbunden sind. Diese Verschiebung entspricht der Manifestation der Orbitalmagnetisierung, der Rotationsbewegung eines Elektronenwellenpakets, die in modernen Begriffen als quantengeometrischer Tensor in Festkörpern formuliert wird.

Diese Entdeckung vertieft unser Verständnis darüber, wie Magnetfelder in der Ebene die innere Struktur des Materials verändern.

Die Forscher entdeckten auch, dass selbst kleine Änderungen des Winkels des Magnetfelds zu erheblichen Variationen des anomalen Hall-Effekts in der Ebene führen können. Diese Richtungsabhängigkeit unterstreicht die Vielseitigkeit des Materials und sein Potenzial für den Einsatz in Technologien, die eine präzise Messung von Magnetfeldern entlang bestimmter Richtungen erfordern.

Uchida kommt zu dem Schluss: „Die vorliegende Arbeit stellt nicht nur einen Durchbruch bei der experimentellen Untersuchung der Orbitalmagnetisierung dar, sondern regt auch die Materialentwicklung für zukünftige Anwendungen an und revolutioniert das Konzept des Hall-Effekts ‚von außen nach innen‘.“

Insgesamt verbessert diese Studie unser Verständnis darüber, wie magnetische Felder in der Ebene die elektronischen Eigenschaften fortschrittlicher Materialien wie EuCd2Sb2 beeinflussen, und bringt uns der Entwicklung von Materialien mit maßgeschneiderten Magnettransporteigenschaften für zukünftige Technologien näher.