Майже півтора століття вчені знали, що в металах, які ми вважаємо «немагнітними», приховані дуже слабкі магнітні ефекти. Проте їх було практично неможливо зафіксувати. Тепер групі дослідників вдалося зробити те, що довгий час вважалося майже недосяжним: за допомогою світла вони змогли виявити надзвичайно слабкі магнітні сигнали в таких звичних металах, як мідь, золото та алюміній. Результати цієї роботи опубліковані в журналі Nature Communications і можуть суттєво розширити наше розуміння електронних процесів у матеріалах.
Основою для нового відкриття стала відома фізична закономірність — ефект Голла. Його відкрив ще у 1881 році американський фізик Едвін Голл. Суть явища полягає в тому, що коли через провідник проходить електричний струм і на нього діє магнітне поле, рух електронів трохи змінюється, і струм відхиляється вбік. У матеріалах, які легко намагнічуються, наприклад у залізі, цей ефект проявляється досить сильно. Але у звичайних металах, що не притягуються магнітом, він надзвичайно слабкий.
Фізики також припускали, що існує так званий оптичний ефект Голла — аналогічне явище, але пов’язане зі світлом. Теоретично світло, відбиваючись від металу в магнітному полі, повинно змінювати свої властивості. Проте протягом десятиліть зафіксувати цю зміну було надзвичайно складно. Сигнал був настільки слабким, що його губив звичайний експериментальний «шум».
Дослідники порівнюють ситуацію з намаганням почути шепіт у гучній кімнаті. Усі розуміли, що цей шепіт існує, але не мали достатньо чутливого «мікрофона», щоб його зафіксувати. Саме такою проблемою займалася міжнародна команда вчених на чолі з дослідниками Єврейського університету в Єрусалимі. До проєкту також долучилися фахівці з Інституту Вейцмана, Університету Пенсильванії та Манчестерського університету.
Ключем до успіху стало вдосконалення методу, відомого як магнітооптичний ефект Керра. Ця технологія дозволяє вивчати магнітні властивості матеріалів за допомогою лазера. Коли світло відбивається від поверхні металу, магнітні властивості можуть трохи змінювати його поляризацію. Якщо виміряти цю зміну з достатньою точністю, можна отримати інформацію про магнітні процеси в матеріалі.
У новому експерименті дослідники використали синій лазер із довжиною хвилі приблизно 440 нанометрів і спеціально модулювали зовнішнє магнітне поле. Завдяки цьому їм вдалося значно підвищити чутливість вимірювань. У результаті вчені змогли зафіксувати надзвичайно слабкі магнітні сигнали в міді, золоті, алюмінії, танталі та платині — металах, які зазвичай вважаються магнітно «тихими».
Отримані результати частково підтвердили класичну фізичну модель, відому як теорія Лоренца—Друде. Вона описує, як електрони поводяться під дією електромагнітних полів. Проте експерименти показали, що реальна картина складніша. Окрім очікуваних ефектів, вчені виявили вплив плазмової динаміки та міжзонних електронних переходів, які також впливають на оптичні властивості металів.
Ще одне несподіване відкриття стосувалося шуму у вимірюваннях. Зазвичай подібний шум вважають випадковим. Проте дослідники помітили, що його інтенсивність залежить від так званої спін-орбітальної взаємодії — фізичної властивості, яка пов’язує рух електрона з його квантовим спіном. Іншими словами, цей «шум» виявився не просто перешкодою, а джерелом додаткової інформації про внутрішні процеси в матеріалі.
Новий метод має важливу практичну перевагу: для вимірювань не потрібно підключати електричні контакти або дроти до матеріалу. Достатньо спрямувати лазер на поверхню. Це робить технологію особливо корисною для дослідження дуже малих структур, де традиційні електричні методи стають складними або неможливими.
Потенційні застосування такого підходу можуть бути дуже широкими. Відкриття може допомогти в розвитку спінтроніки — галузі електроніки, яка використовує не лише заряд електрона, а й його спін. Також нова методика може знайти застосування у створенні магнітної пам’яті, нових матеріалів для електроніки та навіть у квантових технологіях.
Цікаво, що ще сам Едвін Голл у XIX столітті намагався зафіксувати оптичний прояв свого ефекту, але йому це не вдалося. Він припускав, що сигнал був занадто слабким для тогочасних інструментів. Тепер, майже через 150 років після його відкриття, сучасні технології дозволили зробити те, що раніше було неможливим. І це відкриває новий шлях для дослідження поведінки електронів у матеріалах, які довгий час вважалися магнітно нейтральними.