Немецкие физики впервые сконструировали искусственный метаматериал, в котором происходит инверсия знака коэффициента Холла – параметра, определяющего проводящие свойства многих веществ. Одно из необычный применений такого изобретения заключается в возможности «мимикрировать» под материал с другими носителями заряда. Ранее определенного знака коэффициента Холла добивались, например, за счет химической модификации вещества – введения специальных примесей. Авторы новой работы продемонстрировали, что необходимые электронные свойства можно получить из имеющегося в распоряжении материала, просто изменив его микроструктуру. Работаопубликована в журнале Physical Review Letters, с ее кратким описанием можно ознакомиться на сайте Physics.

Эффект Холла – явление возникновения разности потенциалов (напряжения)при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Причем эта разность потенциалов перпендикулярна как направлению постоянного тока, так и магнитного поля.

Изображение изготовленных авторами метаматериалов с различной микроструктурой. Christian Kern at al./ PRL, 2017

В классической физике появление холловского напряжения объясняется действием силы Лоренца – влияния электромагнитного поля на движение заряженных частиц. Магнитное поле отклоняет движущиеся заряды в ту или иную сторону в зависимости от их знака (положительные дырки или отрицательные электроны), в результате у одного края образца скапливается излишний заряд и, тем самым,возникает разность потенциалов. Направление разности потенциалов (или знак коэффициента Холла) в простейшем случае позволяет определить, какие носителя заряда (электроны или дырки) ответственны за проводимость исследуемого вещества.

Иллюстрация отклонения носителей заряда в проводнике, помещенном в магнитное поле, перпендикулярно направлению как тока, так и внешнего поля – эффект Холла. Wikimedia Commons

Явление широко применяется для измерения напряженности магнитных полей. Создание материала, в котором бы сочетались элементы с положительным и отрицательным коэффициентом Холла, позволило бы сконструировать эффективные и дешевые датчики для определения неоднородностей магнитных полей –градиентов, вихрей и т.д. А «управление» параметрами холловского напряжения позволило бы подстраивать проводящие свойства имеющегося в распоряжении материала в зависимости от его применения.

Одним из способов создания материалов с заданными свойствами является изменение их микроструктуры. Так, свойства некоторых композитов оказываются зависящими скорее от искусственно созданной человеком периодической микроструктуры, а не от свойств составляющих композит веществ. Такие композиты называют метаматериалами.

Модельный элемент трехмерной микроструктуры создаваемых авторами метаматериалов. a – размер элементарной ячейки, R – радиус составляющих структуру колец, t – толщина цинк-оксидного слоя, 2r – толщина кольца, d – длина мостиков между звеньями, или параметр сепарации. Christian Kern at al./ PRL, 2017

Авторы новой работы смогли сконструировать такой метаматериал, знак и величина коэффициента Холла в котором может значительно отличаться от параметров исходного материала. То, насколько сильным будет изменение,полностью определяется микроструктурой.

Это означает, например, что если у вас есть только полупроводник n-типа, носителями заряда в котором являются электроны, вы можете изготовить из него материал, проявляющий проводящие свойства полупроводника p-типа. В последнем носителями заряда являются дырки, но создав особую микроструктуру, можно добиться проявления проводящих свойств дырочного полупроводника в электронном, не изменяя при этом сами носители заряда.

Микроструктура нового созданного материала представляет собой сложную трехмерную цепь из полых звеньев полупроводника оксида цинка. Для его создания авторы сначала создали каркас из полимера соответствующей формы, а затем с помощью метода атомно-слоевого осаждения напылили на него185-нанометровый слой оксид цинка n-типа. После этого на брусок искусственного материала также напылили контакты для дальнейшего измерения эффекта Холла.

Различные варианты микроструктуры метаматериалов, полученных авторами: а) полимерный каркас, b) полимерный каркас, покрытый слоем оксида цинка. Christian Kern at al./ PRL, 2017

Различные варианты микроструктуры метаматериалов, полученных авторами: с) структура с контактами, d) структура с контактами и подведенными контактными иглами для измерения. Christian Kern at al./ PRL, 2017

Авторы отмечают, что в данном случае «науку вдохновило искусство», поскольку идею трехмерных цепочечных структур ученые почерпнули у мастера по кольчужному плетению Дилона Вита. Созданная авторами «микрокольчуга» из полых колец оксида цинка изменяет свои свойства в зависимости от длины мостиков между звеньями, или так называемого параметра сепарации. При определенном ее значении происходит инверсия знака коэффициента Холла, то есть материал приобретает свойства полупроводника с другим типом носителей заряда.Грубо говоря, в магнитном поле носители заряда в «микрокольчуге» отклоняются в противоположную своему обычному направлению сторону, как если они имели бы противоположный знак.

Результаты измерения 12 образцов с различной микроструктурой. При определенных значениях параметра сепарации наблюдается инверсия знака коэффициента Холла. Christian Kern at al./ PRL, 2017

Это далеко не первый пример метаматериала, свойства которого отличаются от встречающихся в природе. Так, в начале 2000-х были экспериментально созданы материалы с отрицательным коэффициентом преломления, проявляющие уникальные оптические свойства. На основе таких материалов ученые планируют создать маскировочные плащи-невидимки для различных частот электромагнитного излучения, а также сконструировать «суперлинзу», позволяющую преодолеть дифракционный предел.

Автор: Екатерина Митрофанова