Kolosálna magnetorezistencia zvyšuje vodivosť o miliardu percent

Jav, keď sa vodivosť materálu mení vplyvom pôsobenia magnetického poľa, sa nazýva magnetorezistencia a je známy už od polovice 19. storočia. Omnoho neskôr vedci objavili takzvanú kolosálnu magnetorezistenciu (colossal magnetoresistance, CMR), za výskum ktorej dostali v roku 2007 nemecký fyzik Peter Grünberg a Francúz Albert Fert Nobelovu cenu za fyziku.

Vedci z Georgia Tech, v spolupráci s ďalšími členmi tímu z Oak Ridge National Lab, University of Kentucky a z University of Colorado objavili nový kvantový stav vo zvláštnom materiáli na báze zlúčeniny mangánu, kremíka a telúru – Mn₃Si₂Te₆. Pri neobvyklom fenoméne zistili, že aplikácia magnetického poľa zvýšila elektrickú vodivosť tohto materiálu v extrémnom rozsahu. Nový výskum by sa mohol uplatniť v kvantových počítačoch.

Niektoré materiály menia svoju vodivosť (alebo elektrický odpor) v reakcii na meniace sa magnetické pole, čo je spomínaná magnetorezistencia. Ale v novej štúdii to materiál robí v neuveriteľnej miere a vykazuje kolosálnu magnetorezistenciu.

Testovaná zliatina mangánu, kremíka a telúru má štruktúru osemuholníkových článkov usporiadaných do voštinového vzoru a naskladaných do listov. Po vonkajšej strane týchto oktaedrických buniek v kryštáli sa pohybujú elektróny, ale keď nie je aplikované žiadne magnetické pole, pohybujú sa chaoticky, v rôznych smeroch. Vďaka tomu sa materiál správa ako izolant.

Keď sa však aplikuje magnetické pole, elektróny sa začnú rýchlo pohybovať v nastavenom smere a vytvárať elektrický prúd. To z materiálu robí veľmi efektívny vodič. Jeho vodivosť sa zvýši o sedem rádov, čiže 10 milión krát. Inak povedané, ide o nárast o miliardu percent.

Sami Hakani (vľavo) a Itamar Kimchi z výskumného tímu Georgia Tech

Zaujímavé je, že tento spínač funguje iba vtedy, ak je magnetické pole aplikované kolmo na povrch materiálu. V ostatných známych magnetorezistentných materiáloch uhol pôsobenia magnetického poľa nemá vplyv na silu účinku.

Podľa Itamara Kimchiho, autora štúdie, tento fenomén popiera všetky existujúce teoretické modely a experimentálne precedensy. V ďalších experimentoch vedci zistili, že spínač z materiálu Mn₃Si₂Te₆ možno spustiť aj privedením elektrického prúdu. Prechod z izolantu na vodič v tomto prípade však prebieha pomalšie a trvá niekoľko sekúnd, až minút.

Tím verí, že táto laditeľnosť a pomalší typ prepínania spolu s citlivosťou materiálu na prúdy by mohli viesť k novým aplikáciám a objavom v prúdom riadených kvantových zariadeniach. Táto oblasť aplikácií siaha od senzorov, po počítače a zabezpečenú komunikáciu.

Vedci sa teraz chcú sústrediť na lepšie pochopenie novoobjaveného kvantového stavu a hľadanie ďalších materiálov, kde by takýto kvantový stav mohol existovať.

Výskum bol publikovaný v časopise Nature.