นักฟิสิกส์พบ Hall effect แบบใหม่ สนามแม่เหล็กในระนาบก็สร้างสัญญาณได้ในอุปกรณ์นาโนชนิดนี้

ถ้าเคยเรียนฟิสิกส์เรื่อง Hall effect ภาพจำพื้นฐานมักเป็นแบบนี้: มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านวัสดุ แล้วใช้สนามแม่เหล็กในทิศตั้งฉากกับระนาบที่กระแสไหล ประจุไฟฟ้าจะถูกเบี่ยงไปด้านข้างจนเกิดแรงดันที่เรียกว่า Hall voltage

หลักการนี้มีอายุมากกว่าศตวรรษ และปัจจุบันถูกนำไปใช้ทั้งในการศึกษาคุณสมบัติของวัสดุและสร้างเซนเซอร์สนามแม่เหล็กหลายประเภท

แต่ทีมนักฟิสิกส์จาก Carnegie Mellon University รายงานผลการทดลองที่น่าสนใจขึ้นอีกขั้น เพราะในอุปกรณ์ระดับนาโนที่พวกเขาสร้างขึ้น สามารถตรวจพบ anomalous Hall response ที่สัมพันธ์กับแม่เหล็กซึ่งวางตัวอยู่ในระนาบของอุปกรณ์ ได้ด้วย

พูดง่าย ๆ คือ จากภาพที่เราคุ้นว่าการตอบสนองแบบ Hall ต้องอาศัยองค์ประกอบแม่เหล็กในทิศหนึ่ง นักวิจัยสามารถออกแบบโครงสร้างวัสดุให้เกิดสัญญาณเพิ่มเติมซึ่งตอบสนองต่อทิศทางแม่เหล็กอีกแกนหนึ่งได้

จุดสำคัญจึงไม่ใช่ว่า “ตำราฟิสิกส์เดิมผิด” แต่คือ เมื่อออกแบบสมมาตรและรอยต่อของวัสดุระดับอะตอมต่างออกไป ก็สามารถเปิดทางให้เกิดการตอบสนองที่ระบบทั่วไปไม่มีได้

Hall effect แบบที่เราคุ้นเคยทำงานอย่างไร?

ย้อนกลับไปปี 1879 Edwin Hall พบว่า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำและใช้สนามแม่เหล็กในทิศที่เหมาะสม ประจุที่กำลังเคลื่อนที่จะถูกเบี่ยงไปด้านหนึ่งของวัสดุ ทำให้เกิดความต่างศักย์ในทิศขวางกับกระแส

สัญญาณนี้มีประโยชน์มาก เพราะสามารถนำไปใช้ศึกษาคุณสมบัติของตัวพาประจุในวัสดุ และยังเป็นพื้นฐานของเซนเซอร์ที่ใช้ตรวจสนามแม่เหล็ก ตำแหน่ง การหมุน หรือการเคลื่อนที่ในอุปกรณ์จำนวนมาก

แต่เมื่อเข้าสู่โลกของวัสดุแม่เหล็ก เรื่องจะซับซ้อนขึ้น เพราะยังมีสิ่งที่เรียกว่า anomalous Hall effect หรือ AHE ซึ่งสัญญาณ Hall สามารถสัมพันธ์กับสภาพแม่เหล็กและโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ ไม่ได้อธิบายด้วย Lorentz force แบบพื้นฐานเพียงอย่างเดียว

สิ่งใหม่อยู่ที่ “ทิศทาง” ของการตอบสนอง

ในระบบแม่เหล็กหลายชนิด สมมาตรของวัสดุมักจำกัด anomalous Hall response ให้สัมพันธ์กับ magnetization ในทิศทางบางแกน โดยเฉพาะองค์ประกอบที่ชี้ออกจากระนาบ

ทีม Carnegie Mellon จึงศึกษาว่า หากสร้างวัสดุที่มีสมมาตรเหมาะสมขึ้นมา จะสามารถทำให้ Hall response ตอบสนองต่อ magnetization ที่วางอยู่ ในระนาบ ได้หรือไม่

ทีมวิจัยสร้างอุปกรณ์จากวัสดุสองชนิดซ้อนกันเป็น heterostructure ได้แก่ tantalum iridium telluride หรือ TaIrTe₄ ซึ่งถูกทำให้บางเหลือเพียงไม่กี่ชั้นอะตอม และวัสดุแม่เหล็ก Cr₂Ge₂Te₆ หรือ CGT

เมื่อวัสดุทั้งสองอยู่ชิดกันในระดับอะตอม ปฏิสัมพันธ์บริเวณรอยต่อทำให้ชั้น TaIrTe₄ ซึ่งเดิมไม่ใช่แม่เหล็กได้รับอิทธิพลจากชั้น CGT ขณะเดียวกันโครงสร้างผลึกของ TaIrTe₄ ก็มีสมมาตรที่เหมาะต่อการเกิด Hall response หลายทิศทาง

ภาพอธิบายเปรียบเทียบหลักการ Hall effect แบบพื้นฐานกับการตอบสนองแบบ in-plane anomalous Hall effect ในระบบวัสดุที่ใช้ในการทดลอง โดยเป็นภาพสรุปเพื่อให้เข้าใจแนวคิด ไม่ใช่แบบจำลองทางฟิสิกส์ครบทุกองค์ประกอบ

แล้วนักวิจัยตรวจพบอะไร?

ในอุปกรณ์ที่มีความบางระดับไม่กี่ชั้นอะตอม ทีมทดลองตรวจพบทั้ง Hall signal แบบที่สัมพันธ์กับ magnetization นอกระนาบ และสัญญาณเพิ่มเติมที่เปลี่ยนไปตาม magnetization ภายในระนาบ

งานที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Materials อธิบายว่า เมื่อสมมาตรของระบบถูกลดลงในลักษณะที่เหมาะสม magnetization ในระนาบสามารถเปิดทางให้เกิด anomalous Hall response ซึ่งตามปกติจะถูกข้อจำกัดด้านสมมาตรห้ามไว้

แบบจำลองของทีมยังชี้ว่า spin–orbit coupling บริเวณ interface ร่วมกับ exchange interaction มีบทบาทสำคัญต่อการเกิดปรากฏการณ์นี้

อย่างไรก็ตาม นักวิจัยยังระบุว่ารายละเอียดบางส่วนของต้นกำเนิดสัญญาณต้องได้รับการศึกษาต่อ ดังนั้นผลนี้ควรเข้าใจว่าเป็น การสาธิต in-plane anomalous Hall effect ในระบบวัสดุเฉพาะนี้ ไม่ใช่การประกาศว่า Hall effect แบบดั้งเดิมทั้งหมดไม่จำเป็นต้องใช้สนามแม่เหล็กตั้งฉากอีกต่อไป

ทำไมเรื่องนี้อาจสำคัญกับเซนเซอร์แม่เหล็ก?

ลองนึกภาพว่าเราต้องการตรวจว่า สนามแม่เหล็กไม่ได้มีเพียงความแรงเท่าไร แต่กำลังชี้ไปในทิศทางใดด้วย

ระบบทั่วไปอาจต้องใช้องค์ประกอบตรวจจับหลายตัวที่จัดวางในทิศต่างกัน แล้วนำข้อมูลแต่ละแกนมารวมกัน

แต่ถ้าอุปกรณ์บางเพียงชิ้นเดียวสามารถสร้าง Hall response ที่สัมพันธ์กับ magnetization มากกว่าหนึ่งแกนได้ ก็เปิดทางให้เกิด multidimensional magnetic sensing หรือการตรวจสนามแม่เหล็กหลายทิศทางด้วยโครงสร้างที่เรียบง่ายขึ้น

Carnegie Mellon ระบุว่าผลการศึกษานี้อาจเป็นพื้นฐานสำหรับเซนเซอร์แม่เหล็กรุ่นใหม่ในอนาคต รวมถึงงานด้านอิเล็กทรอนิกส์ การขนส่ง และระบบตรวจจับสนามแม่เหล็กประเภทต่าง ๆ

แต่คำว่า “อาจ” สำคัญมาก เพราะนี่เป็นงานวิจัยพื้นฐาน ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ที่พร้อมนำไปติดตั้งในรถยนต์ โทรศัพท์ หรือเครื่องมืออื่นทันที

ยังมีด่านสำคัญก่อนจะไปถึงการใช้งานจริง

หนึ่งในข้อจำกัดสำคัญของระบบทดลองคือ ปรากฏการณ์เกี่ยวข้องกับสภาวะแม่เหล็กของ CGT ที่เกิดขึ้นที่อุณหภูมิต่ำ

ทีมวิจัยจึงกำลังศึกษาต่อว่าอุปกรณ์จะให้การตอบสนองอย่างไรที่ อุณหภูมิห้อง รวมถึงสำรวจวัสดุระบบอื่นที่อาจแสดง Hall response ลักษณะเดียวกันได้

หากต้องการพัฒนาไปเป็นเซนเซอร์จริง ยังต้องตอบอีกหลายคำถาม ทั้งความเสถียร ความสามารถในการผลิตซ้ำ ขนาดของสัญญาณ อายุการใช้งาน และการทำงานภายใต้สภาพแวดล้อมจริง

ของใหม่ไม่ได้เกิดจากการล้มกฎเดิมเสมอไป

Hall effect ถูกศึกษามานานกว่าร้อยปี แต่การทดลองครั้งนี้สะท้อนสิ่งที่เกิดขึ้นบ่อยในฟิสิกส์ยุคใหม่ คือเมื่อมนุษย์สามารถประกอบวัสดุที่บางเพียงไม่กี่ชั้นอะตอมและควบคุมรอยต่อระหว่างวัสดุได้ละเอียดขึ้น พฤติกรรมที่เคยถูกข้อจำกัดของสมมาตรปิดเอาไว้ก็อาจถูกเปิดออก

ดังนั้นความน่าสนใจของงานนี้ไม่ใช่ประโยคว่า “นักฟิสิกส์พบว่ากฎเดิมผิด”

แต่คือการพบว่า ถ้าออกแบบระบบใหม่ในระดับอะตอม เราสามารถทำให้วัสดุแสดงการตอบสนองที่ระบบธรรมดาไม่แสดงออกมาได้

และในระยะยาว ความเข้าใจลักษณะนี้อาจกลายเป็นอีกหนึ่งชิ้นส่วนสำคัญของเซนเซอร์และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องการตรวจทิศทางสนามแม่เหล็กได้มากกว่าหนึ่งแกน

หมายเหตุ: งานนี้เป็นการทดลองใน heterostructure ของวัสดุควอนตัมระดับต่ำมิติ และไม่ได้หมายความว่า Hall effect แบบดั้งเดิมทุกระบบสามารถใช้สนามแม่เหล็กในระนาบแทนสนามตั้งฉากได้ การนำแนวคิดไปใช้เชิงพาณิชย์ยังต้องผ่านการวิจัยและพัฒนาต่อไป