خواص مغناطیسی جدید از جریان تأثیر هال کوانتومی

اثر هال کوانتومی: انقلابی در الکترونیک

اثر هال کوانتومی، که یکی از اثرات بنیادی در مکانیک کوانتومی است، نه تنها جریان الکتریکی بلکه جریان مغناطیسی نیز تولید می‌کند. این پدیده ناشی از حرکت الکترون‌ها در مداری به دور هسته‌های اتم‌ها است. تیمی از دانشگاه مارتین لوتر هاله-ویتنبرگ (MLU) با انجام محاسباتی این موضوع را اثبات کرده‌اند که نتایج آن‌ها در نشریه “Physical Review Letters” منتشر شده است. این نتایج می‌توانند به توسعه انواع جدیدی از دستگاه‌های ارزان و با کارایی انرژی بالا کمک کنند.

جریان برق در تمام انواع دستگاه‌های الکترونیکی، از جمله تلفن‌های همراه و کامپیوترها، جریان دارد. با این حال، این جریان تولید گرما می‌کند که به معنای از دست رفتن انرژی است و همچنین به این معناست که چیپ‌های کامپیوتری معمولی نمی‌توانند به طور نامحدود کوچک شوند. در زمینه اسپین-اوریترونیک، محققان به دنبال جایگزین‌هایی برای ذخیره و پردازش اطلاعات بدون از دست دادن انرژی هستند. ایده اصلی این است که نه تنها از بار الکترون، بلکه از اسپین و مومنت اوربیتال آن نیز در پردازش اطلاعات استفاده شود.

اسپین، مومنت زاویه‌ای ذاتی یک الکترون است و مومنت اوربیتال ناشی از حرکت الکترون‌ها به دور هسته‌های اتمی است. پروفسور اینگرید مرتیگ، فیزیکدان در MLU، می‌گوید: «ترکیب هر دو اثر به ما این امکان را می‌دهد که دستگاه‌های جدیدی طراحی کنیم که قدرتمندتر و کارآمدتر باشند.» پایه‌گذاری این مطالعه جدید بر اساس اثر هال کوانتومی است. کلاوس فون کلیتزینگ در سال ۱۹۸۵ به خاطر کشف این اثر، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

تأثیر میدان مغناطیسی قوی بر الکترون‌ها

این تأثیر زمانی مشاهده می‌شود که الکترون‌ها تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی بسیار قوی و در دماهای بسیار پایین قرار می‌گیرند. دکتر Börge Göbel توضیح می‌دهد: “اثر هال کوانتومی خاص است زیرا جریان‌های الکتریکی که تولید می‌شوند، تنها در حاشیه‌های نمونه جریان دارند. علاوه بر این، مقاومت الکتریکی مربوطه تنها می‌تواند مقادیر خاصی را به خود بگیرد.” با اینکه دانشمندان، چندین دهه است که از این اثر آگاه هستند، محاسبات تیم تحقیقاتی بینش جدیدی را ارائه داده است: جریان‌های حاشیه‌ای همچنین دارای ویژگی‌های مغناطیسی به دلیل لحظه مداری الکترون‌ها هستند. دکتر Göbel می‌گوید: “در آینده، این جریان‌ها می‌توانند برای انتقال اطلاعات اضافی و بهبود کارایی دستگاه‌های الکتریکی مورد استفاده قرار گیرند.“

پیشرفت‌های جدید در تحقیقات

جالب اینجاست که این اثر جدید در کنار اثر هال کوانتومی رخ می‌دهد و به مواد نادر و گران‌قیمتی که معمولاً در اسپینترونیک استفاده می‌شوند، وابسته نیست. Göbel و Mertig در حال حاضر تحقیقات خود را به عنوان بخشی از پروژه تحقیقاتی بین‌المللی “مهندسی مداری برای الکترونیک نوآورانه” (Obelix) ادامه می‌دهند که این پروژه توسط برنامه “Pathfinder” شورای نوآوری اروپا تأمین مالی می‌شود. هدف این پروژه یافتن فناوری‌های جدید و قابل عرضه به بازار است.

همکاری‌های بین‌المللی و آینده‌نگری

به این منظور، Mertig و Göbel در حال همکاری با مؤسسات تحقیقاتی در آلمان، فرانسه و سوئد هستند. آن‌ها همچنین با مشارکت در “مرکز الکترونیک چیرال” که MLU به همراه دانشگاه آزاد برلین و دانشگاه رگنزبورگ برای تأمین مالی استراتژی برتری درخواست داده‌اند، تخصص خود را در زمینه اسپینترونیک به کار می‌برند. همچنین، مؤسسه ماکس پلانک فیزیک میکروساختار در هاله نیز در این پروژه مشارکت دارد.