اكتشف الفيزيائيون استجابة هول داخل الطائرة والتي تقلب افتراضًا عمره قرن من الزمان حول كيفية عمل هذا التأثير الكهربائي الشهير. يمكن لهذا الاكتشاف في النهاية أن يجعل الاستشعار المغناطيسي متعدد الاتجاهات ممكنًا باستخدام جهاز واحد صغير.
حدد العلماء في جامعة كارنيجي ميلون شكلاً غير متوقع من تأثير هول الذي يتحدى الافتراض القديم حول كيفية تفاعل المواد الإلكترونية مع المجالات المغناطيسية.
ويوسع هذا الاكتشاف فهم العلماء لتأثير هول، وهي ظاهرة أساسية تستخدم لدراسة الخصائص الكهربائية والمغناطيسية للمواد.
نشرت في مواد الطبيعةيمكن أن يساعد هذا العمل الباحثين في النهاية على تطوير أجهزة استشعار مغناطيسية أبسط وأكثر مرونة للتطبيقات بما في ذلك الإلكترونيات والنقل والتصوير الطبي.
تأثير فيزيائي عمره قرن من الزمان
لقد كان تأثير هول أداة مهمة في الفيزياء لأكثر من قرن من الزمان. في عام 1879، اكتشف إدوين هول أنه عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي بشكل عمودي على مادة تحمل تيارًا كهربائيًا، فإن الشحنات المتحركة بداخلها تنحرف، مما ينتج جهدًا يمكن قياسه. يمكن لهذه الإشارة أن تكشف عن العديد من الخصائص المهمة للمادة. يمكن للعلماء استخدامه لتحديد ما إذا كان التيار يحمل بواسطة شحنات سالبة أم موجبة، وتقدير عدد حاملات الشحنة التي تتحرك عبر المادة، وقياس مدى سهولة انتقالها. اليوم، يُستخدم استشعار تأثير هول على نطاق واسع في تقنيات تتراوح من السيارات إلى لوحات مفاتيح الكمبيوتر. الباحثون في قسم الفيزياء بجامعة كارنيجي ميلون، الذين يعملون في مختبر دراسة المواد والواجهات والأجهزة الكمومية (LIQUID)، أظهروا الآن شكلاً غير مؤكد سابقًا من التأثير.
يقول سيمرانجيت سينغ، الأستاذ المشارك في الفيزياء: “لفترة طويلة، اعتقد الناس أن تأثير هول لا يعمل إلا عندما يتم تطبيق المجال المغناطيسي بشكل عمودي على مستوى الفيلم. لقد أظهرنا أن هذا غير صحيح – يمكنك أيضًا الحصول على استجابة عندما يكون المجال في المستوى”.
كشف المغناطيسية في أكثر من اتجاه
يوسع هذا الاكتشاف كيفية استخدام تأثير هول لأنه يوضح أن استجابة هول المعتمدة على المغنطة يمكن أن تحدث في أكثر من اتجاه.
يمكن لهذه القدرة أن تساعد الفيزيائيين على دراسة الهياكل المغناطيسية والطوبولوجية المعقدة في أنظمة المادة المكثفة. بعبارات بسيطة، قد يتمكن الباحثون من استخدام نفس الظاهرة الأساسية لاستكشاف كيفية سلوك المغناطيسية على طول اتجاهات متعددة داخل المواد المتقدمة.
وقال سينغ: “بعيدًا عن الأهمية الأساسية، يمكن لهذا الاكتشاف أن يتيح تصميمات جديدة للأجهزة المستوية وأنواع أجهزة الاستشعار، مثل القياس المغناطيسي المتجه، من خلال قياس إشارات تأثير هول الشاذة خارج المستوى وداخل المستوى في نفس الجهاز”.
من النظرية إلى الدليل التجريبي
كان العلماء قد اقترحوا سابقًا إمكانية وجود تأثير هول الشاذ داخل الطائرة، لكن لم تنجح أي تجربة في إثبات ذلك. وقال سينغ: “لقد اقترح الناس ذلك وكانت الأفكار موجودة، ولكن من الصعب جدًا صنع مادة مغناطيسية ذات التماثل الصحيح للقيام بذلك”. “ما فعلناه هو أننا وجدنا مادة ذات التماثل الصحيح، وجعلناها مغناطيسية.”
لإنشاء الأجهزة الصغيرة اللازمة للدراسة، عمل سينغ مع جيوتي كاتوش، الأستاذ المشارك في الفيزياء والمتخصص في تصنيع الأجهزة من مواد كمومية ثنائية الأبعاد. بدأ فريق البحث، الذي ضم أيضًا باحثي ما بعد الدكتوراه آي-هسوان كاو ورافي كومار، باستخدام تيلوريد التنتالوم إيريديوم (TaIrTe4). تتمتع هذه المادة بالتماثل البلوري اللازم لإنتاج تأثير هول متعدد الأبعاد. قام الباحثون بتخفيض سماكتها إلى بضع طبقات ذرية فقط، ثم ربطوها بطبقة مغناطيسية، Cr2Ge2Te6 (CGT). ونظرًا لأن المادتين قريبتان جدًا من بعضهما البعض، فإن المغناطيسية الناتجة عن الطبقة المغناطيسية يمكن أن تؤثر على الطبقة غير المغناطيسية عادةً.
وهذا يمنح TaIrTe4 خصائص مغناطيسية بينما يسمح له بالاحتفاظ بسلوكه الإلكتروني المميز. وقال كاتوش: “يُظهر هذا حقًا قوة بناء هياكل متغايرة دقيقة ذريًا للمواد الكمومية الناشئة ثنائية الأبعاد للحصول على خصائص إلكترونية ومغناطيسية عند الطلب”.
جهاز واحد صغير، محاور مغناطيسية متعددة
داخل الأجهزة الرفيعة ذريًا، اكتشف الباحثون كلاً من إشارة هول التقليدية وإشارة ثانية غير تقليدية مرتبطة بالمغنطة داخل مستوى المادة.
ومن الناحية العملية، يعني ذلك أن جهازًا واحدًا فائق الرقة يمكنه اكتشاف المجالات المغناطيسية على طول أكثر من محور واحد.
وقال سينغ: “لقد قمنا بتوسيع نطاق التطبيق المحتمل لهذه المواد”. “يمكنك القيام بالاستشعار المغناطيسي متعدد الأبعاد باستخدام مستشعر واحد فقط. في السابق، كنت بحاجة إلى وضع مستشعرين لقياس المجال المغناطيسي في اتجاهين.”
يمكن أن تؤدي النتيجة في النهاية إلى تبسيط بعض أنظمة الاستشعار المغناطيسي من خلال السماح لجهاز واحد بإجراء قياسات كانت تتطلب في السابق أجهزة استشعار متعددة.
شرح استجابة القاعة غير العادية
ولفهم سبب ظهور التأثير الجديد، قام شوبهايو تشاترجي، الأستاذ المساعد في الفيزياء، بإجراء النمذجة النظرية.
ركز عمله على كيفية تغير تناظر المواد المدمجة عندما يقترن TaIrTe4 مع CGT، وكيف تسمح هذه التغييرات بظهور استجابة هول غير العادية.
“لقد وجدنا أن انخفاض التماثل بسبب الاقتران مع CGT يسمح باقتران مدار دوراني إضافي في الواجهة. تعتبر شروط الاقتران ذات المدار الدوراني هذه ضرورية لظهور تأثير هول الشاذ داخل المستوى بمجرد أن يصبح CGT مغنطيسيًا حديديًا عند درجات حرارة منخفضة. في حين أن بعض ميزات إشارة تأثير هول الشاذة المرصودة تتوافق مع أصل جوهري، إلا أن هناك حاجة إلى توصيف تفصيلي لـ TaIrTe4 قليل الطبقات لتحديد الآلية الدقيقة، ” قال.
يصف اقتران المدار الدوراني التفاعل بين حركة الإلكترون وتدوره الكمي. في هذه الحالة، يبدو أن الواجهة بين المادتين تخلق الظروف اللازمة لاستجابة هول غير العادية داخل الطائرة.
نحو أجهزة الاستشعار المغناطيسية العملية
يقوم فريق LIQUID الآن بالتحقيق في مجموعات مواد أخرى قد تنتج نفس سلوك هول غير التقليدي.
يقوم الباحثون أيضًا باختبار كيفية أداء الجهاز في درجة حرارة الغرفة. إن إظهار استجابة قوية لدرجة حرارة الغرفة سيكون خطوة مهمة نحو تحويل هذه الظاهرة إلى تكنولوجيا استشعار عملية.
المرجع: “تأثير هول الشاذ داخل الطائرة في نظام منخفض الأبعاد” بقلم I-Hsuan Kao، Ravi Kumar Bandapelli، Zhenhong Cui، Shuchen Zhang، Jian Tang، Tiema Qian، Souvik Sasmal، Aalok Tiwari، Mei-Tung Chen، Raghvendra Li Posti، James، Jianabe Rah.Rahul Rahul Takashi Taniguchi، Ni Ni، Su-Yang Xu، Qiong. ما، شوبهايو تشاترجي، جيوتي كاتوتش، وسيمرانجيت سينغ، 28 مايو 2026، مواد الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41563-026-02611-9
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
