Kejutan dalam fisika zat padat: Efek Hall, yang biasanya membutuhkan medan magnet, juga dapat dihasilkan dengan cara yang sama sekali berbeda yang telah ditemukan sebelumnya.
Arus listrik dibelokkan oleh medan magnet dalam bahan konduksi ini mengarah ke yang disebut efek Hall. Efek ini sering digunakan untuk mengukur medan magnet. Penemuan mengejutkan kini telah dibuat di TU Wien, bekerja sama dengan para ilmuwan dari Paul Scherrer Institute (Swiss), McMater University (Kanada), dan Rice University (AS): logam eksotis yang terbuat dari serium, bismut, dan paladium telah diperiksa dan efek Hall raksasa ditemukan dan dihasilkan oleh material tersebut, tanpa adanya medan magnet sama sekali. Alasan untuk hasil yang tidak terduga ini terletak pada sifat elektron yang tidak biasa.Mereka berperilaku seolah-olah ada monopole magnetik dalam materi. Penemuan ini kini telah dipublikasikan di majalah ilmiah PNAS.
Sebuah tegangan tegak lurus dengan arus
Ketika arus listrik mengalir melalui strip logam, elektron berpindah dari satu sisi ke sisi lainnya. Jika magnet ditempatkan di sebelah strip ini, gaya bekerja pada elektron yang disebut gaya Lorentz. Jalur elektron melalui strip logam tidak lagi lurus, ia sedikit bengkok. Oleh karena itu, sekarang terdapat lebih banyak elektron di satu sisi strip logam daripada di sisi lain, dan ini menciptakan tegangan yang tegak lurus dengan arah aliran arus. Ini adalah efek Hall klasik, seperti yang telah dikenal selama bertahun-tahun.
“Mengukur kekuatan Efek Hall adalah salah satu cara kami mengkarakterisasi material di laboratorium kami,” kata Prof Silke Bühler-Paschen dari Institut Fisika Solid State di TU Wien. "Anda bisa belajar banyak tentang perilaku elektron dalam keadaan padat dari eksperimen semacam itu." Ketika Sami Dzsaber yang sedang mengerjakan disertasinya di kelompok penelitian Bühler-Paschen, meneliti materi Ce3Bi4Pd3, ia menjalankan tugasnya dengan sangat serius dan juga melakukan pengukuran tanpa medan magnet. “Sebenarnya, ini adalah ide yang tidak biasa tetapi dalam kasus ini, ini adalah langkah yang menentukan,” kata Silke Bühler-Paschen.
Pengukuran tersebut mengungkapkan bahwa material tersebut menunjukkan efek Hall bahkan tanpa medan magnet eksternal dan bukan hanya efek Hall normal, tetapi juga efek yang sangat besar. Pada material normal, efek Hall dengan kekuatan ini hanya dapat dihasilkan dengan kumparan elektromagnetik yang sangat besar. “Jadi kami harus menjawab pertanyaan lain,” kata Silke Bühler Paschen. "Jika efek Hall terjadi tanpa medan magnet eksternal, apakah kita mungkin berurusan dengan medan magnet lokal yang sangat kuat yang terjadi pada skala mikroskopis di dalam material, tetapi tidak dapat lagi dirasakan di luar?"
Oleh karena itu, penyelidikan dilakukan di Institut Paul Scherrer di Swiss: Dengan bantuan muon partikel elementer yang sangat cocok untuk menyelidiki fenomena magnet dan bahan tersebut diperiksa lebih dekat. Tetapi ternyata tidak ada medan magnet yang dapat dideteksi bahkan pada skala mikroskopis. “Jika tidak ada medan magnet, maka tidak ada gaya Lorentz yang dapat bekerja pada elektron dalam material namun efek Hall dapat diukur. Itu benar-benar luar biasa, ”kata Silke Bühler-Paschen.
Simetri adalah yang terpenting
Penjelasan untuk fenomena aneh ini terletak pada interaksi elektron yang rumit. “Atom dari bahan ini tersusun menurut kesimetrian yang sangat spesifik, dan kesimetrian ini menentukan apa yang disebut hubungan dispersi yaitu hubungan antara energi elektron dan momentumnya. Hubungan dispersi memberi tahu kita seberapa cepat elektron dapat bergerak ketika ia memiliki energi tertentu, ”kata Bühler-Paschen. “Penting juga untuk diperhatikan bahwa Anda tidak dapat melihat elektron satu per satu di sini tetapi ada interaksi mekanis kuantum yang kuat di antara mereka.”
Interaksi kompleks ini menghasilkan fenomena yang secara matematis terlihat seolah-olah ada monopole magnetik dalam material yaitu kutub utara dan selatan soliter, dimana bentuk ini tidak ada di alam. “Tapi sebenarnya ini memiliki efek medan magnet yang sangat kuat pada pergerakan elektron,” kata Bühler-Paschen.
Efeknya telah diprediksi secara teoritis untuk bahan yang lebih sederhana, tetapi tidak ada yang bisa membuktikannya. Terobosan datang dengan penyelidikan kelas bahan baru: "Bahan kami dengan komposisi kimia Ce3Bi4Pd3 dicirikan oleh interaksi yang sangat kuat antara elektron," jelas Bühler-Paschen. “Ini dikenal sebagai efek Kondo. Hal ini menyebabkan monopole magnetik fiktif memiliki energi yang tepat untuk mempengaruhi elektron konduksi dalam material dengan sangat kuat. Inilah alasan mengapa efeknya lebih dari seribu kali lebih besar dari yang diperkirakan secara teoritis. "
Efek Hall spontan raksasa baru memiliki beberapa potensi untuk teknologi kuantum generasi berikutnya. Dalam bidang ini, misalnya, elemen non timbal balik yang menghasilkan hamburan bergantung arah seluruhnya tanpa medan magnet eksternal , mereka bisa diwujudkan dengan efek ini. “Perilaku material yang sangat non linier juga sangat menarik,” kata Silke Bühler-Paschen. “Fakta bahwa fenomena banyak partikel yang kompleks dalam benda padat menimbulkan kemungkinan aplikasi yang tidak terduga membuat bidang penelitian ini sangat menarik.”
Sumber
“Giant spontaneous Hall effect in a nonmagnetic Weyl–Kondo semimetal” by Sami Dzsaber, Xinlin Yan, Mathieu Taupin, Gaku Eguchi, Andrey Prokofiev, Toni Shiroka, Peter Blaha, Oleg Rubel, Sarah E. Grefe, Hsin-Hua Lai, Qimiao Si and Silke Paschen, 19 February 2021, Proceedings of the National Academy of Sciences. DOI: 10.1073/pnas.2013386118