Физики из Университета Карнеги-Меллона впервые экспериментально показали, что аномальный эффект Холла может возникать даже тогда, когда намагниченность направлена вдоль плоскости ультратонкого материала, а не перпендикулярно ей. Исследование показывает, что один миниатюрный элемент потенциально способен измерять магнитное поле сразу по нескольким направлениям, тогда как современным системам для такой задачи обычно нужны несколько датчиков.
Речь не об опровержении классического эффекта Холла, открытого Эдвином Холлом в 1879 году. При обычном эффекте магнитное поле, направленное перпендикулярно проводнику с током, отклоняет движущиеся заряды к одной стороне материала. Между краями возникает поперечное напряжение, по которому можно определить знак носителей заряда, их концентрацию и другие свойства вещества.
Исследователи работали с аномальным эффектом Холла, который возникает в магнитных материалах и связан не только с внешним магнитным полем, но и с внутренней намагниченностью и электронной структурой вещества. До сих пор для подобных систем обычно считалось, что измеряемый холловский отклик определяется компонентой намагниченности, направленной перпендикулярно плоскости материала.
Команда Карнеги-Меллона создала гетероструктуру из нескольких атомных слоёв топологического полуметалла TaIrTe4 и ферромагнитного изолятора Cr2Ge2Te6, или CGT. TaIrTe4 сам по себе не обладает нужными магнитными свойствами, однако близость к CGT вызывает обменное взаимодействие между слоями и меняет поведение электронов на границе материалов.
Главную роль сыграла необычная симметрия получившейся структуры. После объединения материалов в системе сохраняется только одна зеркальная плоскость. Когда намагниченность получает компоненту внутри этой плоскости, оставшаяся симметрия нарушается, и материал начинает создавать поперечный электрический отклик даже при намагниченности вдоль своей поверхности.
В экспериментах физики зарегистрировали сразу два сигнала. Первый соответствовал привычному аномальному эффекту Холла при намагниченности перпендикулярно поверхности, второй зависел от компоненты намагниченности внутри плоскости. Эффект повторялся в нескольких изготовленных устройствах, а величину отклика удалось менять электрическим затвором.
Теоретическая модель связывает необычное поведение с обменным взаимодействием и дополнительным спин-орбитальным взаимодействием, возникающим на границе TaIrTe4 и CGT. Однако авторы пока не считают микроскопический механизм окончательно установленным. Некоторые особенности измеренного сигнала соответствуют внутреннему, или intrinsic, механизму аномального эффекта Холла, но для окончательного вывода потребуется подробнее изучить электронную структуру тонких слоёв TaIrTe4.
Практический интерес связан с магнитными датчиками. До сих пор для измерения нескольких пространственных компонентов магнитного поля часто приходится ориентировать несколько чувствительных элементов по разным осям. По оценке исследователей, новый подход может позволить одному плоскому наноустройству одновременно регистрировать как перпендикулярную, так и продольную составляющую намагниченности. Такой принцип пригодился бы для векторных магнитометров, компактной электроники, транспорта и некоторых медицинских измерительных систем.
До готовых датчиков, однако, ещё далеко. Эксперименты проводились при низких температурах, где слой CGT становится ферромагнитным. Команда сейчас проверяет другие сочетания квантовых материалов и пытается получить аналогичный отклик при комнатной температуре. Без работы в обычных условиях практическое применение останется преимущественно лабораторной перспективой.
Саму возможность аномального эффекта Холла при намагниченности внутри плоскости физики предсказывали теоретически и раньше, но подходящий материал с нужной симметрией было трудно реализовать экспериментально. Авторы работы фактически создали такую систему искусственно, совместив два двумерных материала и получив нужное сочетание симметрии, магнетизма и спин-орбитального взаимодействия.
Результаты опубликовали в Nature Materials 28 мая 2026 года, а в конце августа Университет Карнеги-Меллона подробно представил эксперимент. Спустя почти полтора века после открытия Эдвина Холла фундаментальный принцип остаётся в силе, но границы семейства холловских эффектов оказались шире, чем позволяла привычная геометрия магнитных материалов.
