Команда ученых совершила прорыв, научившись улавливать сверхслабые магнитные сигналы в самых обычных металлах — меди, золоте, алюминии. Для этого им понадобились лишь луч лазера и остроумная экспериментальная методика. Это открытие, опубликованное в журнале Nature Communications, может изменить очень многое — от смартфонов в наших карманах до квантовых компьютеров будущего.

Почему же это не удавалось так долго? Ученым уже более века известно, что электрический ток искривляется в магнитном поле. Это называют эффектом Холла. В магнитных материалах, как железо, этот эффект силен и хорошо изучен. Но в обычных, немагнитных металлах — меди, золоте, алюминии — он настолько слаб, что его практически невозможно было разглядеть с помощью света. Теоретически, с помощью так называемого оптического эффекта Холла можно было бы увидеть, как ведут себя электроны под действием света и магнита. Но на практике этот сигнал был подобен шепоту в шумной комнате.

Десятилетиями это было похоже на попытку расслышать шепот в переполненной комнате, — говорит профессор Амир Капуа. — Все знали, что шепот есть, но у нас не было достаточно чувствительного микрофона.

Группе под руководством аспиранта Надава Ам Шалома и профессора Амира Капуа из Еврейского университета в Иерусалиме, в сотрудничестве с коллегами из Института Вейцмана и других научных центров, удалось решить эту сложнейшую задачу.

Они нашли способ услышать этот «шепот».

Такие металлы, как медь или золото, кажутся нам магнитно «тихими» — они не магнитятся, как железо, — объясняет профессор Капуа. — Но на самом деле, в правильных условиях, они все же реагируют на магнитные поля — просто невероятно слабо.

Ученые усовершенствовали существующий метод — магнито-оптический эффект Керра (MOKE). Если раньше они пытались рассмотреть слабый отблеск в темноте, то теперь будто направили на поверхность мощный фонарь. Они использовали синий лазер и научились модулировать внешнее магнитное поле, что резко повысило чувствительность метода. В результате они впервые смогли уловить магнитные «отголоски» в меди, золоте, алюминии, тантале и платине. То, что еще недавно считалось почти невозможным.

Но самое интересное началось дальше. То, что раньше казалось беспорядочным шумом в сигнале, оказалось ценнейшей информацией. Этот «шум» подчинялся четкой закономерности, связанной с квантовым свойством электронов — спин-орбитальным взаимодействием. Оно связывает движение электрона с его вращением (спином), что крайне важно для современной электроники.

Это открытие имеет и сугубо практическую сторону. Классическое измерение эффекта Холла — это ювелирная работа: к микроскопическому устройству нужно вручную припаять тончайшие проводки. Новый же метод несравнимо проще: достаточно просто посветить на устройство лазером, без всяких проводов.

Теперь это похоже на то, как если бы мы обнаружили, что помехи на радио — это не просто шипение, а чей-то тихий голос, передающий ценную информацию, — говорит аспирант Надав Ам Шалом. — Теперь мы научились «слышать» светом эти скрытые послания от электронов.

Профессор Капуа подмечает историческую иронию:

Интересно, что даже Эдвин Холл, величайший ученый, открывший этот эффект, пытался измерить его с помощью луча света, но у него ничего не вышло. Он заключил свою знаменитую работу 1881 года словами: «Я думаю, что, будь действие серебра хотя бы в десять раз слабее, чем у железа, эффект был бы обнаружен. Но ничего подобного наблюдать не удалось». Теперь, настроившись на нужную частоту и зная, куда смотреть, мы смогли измерить то, что когда-то считалось невидимым.

Реальная польза этого исследования лежит в нескольких плоскостях:

• Контроль качества и диагностика. Эта технология может стать мощнейшим инструментом для неразрушающего и бесконтактного тестирования микрочипов прямо на конвейере. Лазерным лучом можно быстро сканировать полупроводниковые пластины, выявляя малейшие дефекты в распределении легирующих примесей или толщине проводящих слоев, что критически важно для повышения выхода годной продукции.

• Фундаментальные исследования. Метод открывает окно в мир сверхслабых магнитных явлений, которые раньше были недоступны для наблюдения. Это позволит глубже изучать квантовые материалы, топологические изоляторы, сложные сплавы, где спин-орбитальное взаимодействие играет ключевую роль, но проявляется крайне слабо.

• Прототипирование и R&D. Инженеры, разрабатывающие новую электронику, особенно в области спинтроники и квантовых вычислений, получат простой и быстрый инструмент для проверки гипотез. Вместо недель изготовления сложных контактов можно будет просто посветить лазером на образец и получить данные о поведении электронов. Это ускорит цикл разработки новых устройств.

Основное замечание, которое неизбежно возникнет у научного сообщества, касается универсальности и селективности метода. В статье показана блестящая работа на чистых, хорошо изученных металлах. Однако в реальных устройствах используются сложные сплавы, многослойные гетероструктуры и материалы с сильными дефектами. Будет ли сигнал настолько же четким и интерпретируемым в таких сложных средах? Не «потонет» ли слабый полезный сигнал от меди в шумах, вызванных другими эффектами в соседних слоях материала? Авторам предстоит доказать, что их методика может не только детектировать эффект в идеальных условиях, но и надежно работать в „грязном“ мире реальной микроэлектроники, где требуется высочайшая избирательность.

Ранее ученые открыли аномальный эффект Холла в антиферромагнетиках.