Есть сравнительно простой физический эксперимент, который можно провести в домашних условиях. Понадобится всего пять компонентов: небольшая металлическая пластинка, обычная батарейка, магнит, пара проводов и вольтметр. Все это можно найти в школьном наборе радиолюбителя.
Пластинку надо подключить к батарейке, а ее торцы к вольтметру. Стрелка измерительного устройства останется на нуле, поскольку ток по металлу будет идти в продольном направлении, но напряжения в поперечном направлении не возникнет. Однако если к пластинке поднести магнит, то показания прибора начнут расти. Это явление называется эффектом Холла.
«Его впервые обнаружил выдающийся ученый Эдвин Холл в 1879 году, — рассказывает аспирант Нового Физтеха Университета ИТМО Валерий Козин. — Объяснение эффекта довольно простое. Магнитное поле действует на движущиеся под воздействием электрического тока электроны. Если магнитное поле будет воздействовать перпендикулярно к движению электронов, то они будут отклоняться к одному из торцов нашей пластины. Предположим, с правого торца электронов станет больше, с левого — меньше. Таким образом, одна сторона пластины накопит отрицательный заряд, а другая — положительный, что и приведет к возникновению напряжения, которое зафиксирует прибор».
Эффект, открытый полтора века назад, широко применяется до сих пор. С его помощью создают детекторы для обнаружения магнитного поля, которые также называют датчиками Холла. В частности, такие устройства используются в смартфонах. Благодаря ним мы можем лучше ориентироваться на местности.
«Наша Земля является огромным источником магнитного поля, благодаря этому работает компас, — продолжает Валерий Козин. — Настоящий компас в телефон не поставишь, но если у вас есть датчик Холла, то вам это и не нужно. Он будет фиксировать изменение угла воздействия магнитного поля Земли и передавать данные в телефон. Именно благодаря этому, когда мы заходим в Яндекс.Карты на телефоне, мы видим, куда направлен наш гаджет».
Как из дырки сделать «атом»
В физике многие явления описываются по аналогии. Различные эффекты из разных областей науки описываются сходными уравнениями и подчиняются одним и тем же законам. Что если нечто похожее на эффект Холла можно найти в поведении других частиц? Ученым Университета ИТМО удалось обнаружить подобное явление, только касается оно не электронов, а квазичастиц экситонов.
Эти объекты образуются в полупроводниках, таких как арсенид галлия, который используется в транзисторах, светодиодах и солнечных батареях. Как и у всех полупроводников, у этого материала есть так называемая запрещенная зона, то есть то количество энергии, которое необходимо в него «вкачать», чтобы арсенид галлия стал проводить электричество при абсолютном нуле температуры. Проводимость возникает за счет того, что электрон из внешней, так называемой валентной, зоны переходит дальше, в зону проводимости. Этот переход и осуществляется за счет внешнего потока энергии.
«Такого рода энергии лежат в области видимого диапазона света, иными словами, нужно просто посвятить на кристалл лучом лазера или даже фонариком, и вы сможете переместить электрон в зону проводимости. При этом на его месте образуется вакансия, которая называется "дыркой"», — объясняет Валерий Козин.
Эти дырки на языке уравнений ведут себя как положительно заряженные частицы. Вокруг них имеются отрицательно заряженные электроны, к которым они могут притягиваться. В результате электрон может начать вращаться вокруг дырки, образуя некое подобие атома водорода, где в центре находится один положительно заряженный протон, а вокруг него перемещается электрон.
«Получается, что эта дырка может играть роль ядра, чтобы сформировать с электроном "атом". Такого рода "атомы" называются экситонами. Эти квазичастицы очень похожи на атомы, подчиняются тем же законам, уравнениям, это полноценные аналоги атомов водорода», — добавляет Валерий Козин.
Аномальный эффект
В частности, из экситонов можно получать газ. Если ударить по листу полупроводника лазерным лучом, то в нем образуется облачко из этих квазичастиц. Рассматривая такой процесс, физики Университета ИТМО и обнаружили (в теории) новый эффект, который назвали аномальным экситонным эффектом Холла.
Если взять тонкую полоску полупроводникового материала и воздействовать на нее лазерным пучком под углом 90 градусов с достаточной мощностью, то образуется газ из экситонов, который будет расходиться в разные стороны. Однако если угол сделать чуть острее, то ситуация изменится — газ будет идти направленным облаком, где ученым будет легко его «поймать». Здесь также играет роль, что в полупроводниках обычно имеются различные примеси, частицы которых также имеют заряд. Наличие таких примесей и определяет основные свойства полупроводниковых приборов.
«Теперь, если к нашей пленке полупроводника приложить перпендикулярное магнитное поле, то облачко экситонов, рассеиваясь на примесях, будет отклоняться в какую-то сторону. Полный аналог эффекта Холла: у нас есть поток частиц, в нашем случае экситонов, мы включаем перпендикулярное магнитное поле и этот поток частиц отклоняется к краю образца», — говорит Валерий Козин.
Предложенный эффект имеет фундаментальное отличие от классического эффекта Холла, ведь экситоны электрически нейтральны, в то время как электроны имеют отрицательный заряд.
Валерий Козин признается, что пока открытый учеными эффект вряд ли найдет столь широкое применение в быту, как классический эффект Холла. Однако он отмечает, что это явление может иметь большое значение для ученых, которые изучают экситоны. В частности, это позволяет разделять светлые и темные экситоны.
Дело в том, что часть экситонов схлопываются, когда электрон возвращается на свое место, при этом выделяя свет. Такие квазичастицы называются светлыми. Другие экситоны прекращают свое существование без выделения света и называются темными. Изучать их сложнее, тем более, что получить группу именно темных экситонов тяжело, ведь «рождаются» оба вида квазичастиц вместе. Однако открытый эффект действует на них по-разному.
«Оказывается можно эффективно отделять светлые экситоны от темных. Если вы рождаете облачко, которое состоит как из темных, так и из светлых экситонов, оно натыкается на частицы примесей и отклоняется на какой-то угол, начиная лететь к одному из краев образца. Для темных и светлых экситонов отклонения будут разные, и соответственно, можно их изначально разделять на два облачка: светлых и темных экситонов. То есть можно получить чистый темный экситонный газ. Зачем это нам надо? С помощью экситонов можно изучать удивительные состояния материи, которые очень сложно получать с помощью обычных атомов, например, Бозе-Эйнштейновский конденсат», — заключает Валерий Козин.
Статья: V. K. Kozin, V. A. Shabashov, A. V. Kavokin, and I. A. Shelykh. «Anomalous Exciton Hall Effect», Phys. Rev. Lett. 126, 036801, 2021.
