Зображення виготовлених авторами метаматеріалів з різною мікроструктурою

Christian Kern at al./ PRL 2017

Німецькі фізики вперше сконструювали штучний метаматериал, в якому відбувається інверсія знака коефіцієнта Холла - параметра, що визначає провідні властивості багатьох речовин. Одне з незвичайний застосувань такого винаходу полягає в можливості «мімікрувати» під матеріал з іншими носіями заряду. Раніше певного знака коефіцієнта Холла домагалися, наприклад, за рахунок хімічної модифікації речовини - введення спеціальних домішок. Автори нової роботи продемонстрували, що необхідні електронні властивості можна отримати з наявного в розпорядженні матеріалу, просто змінивши його мікроструктуру. Робота опублікована в журналі Physical Review Letters, з її коротким описом можна ознайомитися на сайті Physics.

Ефект Холла - явище виникнення різниці потенціалів (напруги) при приміщенні провідника з постійним струмом в магнітне поле. Причому ця різниця потенціалів перпендикулярна як напрямку постійного струму, так і магнітного поля.

У класичній фізиці поява холловського напруги пояснюється дією сили Лоренца - впливу електромагнітного поля на рух заряджених частинок. Магнітне поле відхиляє рухомі заряди в ту чи іншу сторону в залежності від їх знака (позитивні дірки або негативні електрони), в результаті у одного краю зразка накопичується зайвий заряд і, тим самим, виникає різниця потенціалів. Напрямок різниці потенціалів (або знак коефіцієнта Холла) в найпростішому випадку дозволяє визначити, які носія заряду (електрони або дірки) відповідальні за провідність досліджуваного речовини.

Ілюстрація відхилення носіїв заряду в провіднику, вміщеному в магнітне поле, перпендикулярно напрямку як струму, так і зовнішнього поля - ефект Холла.

Wikimedia Commons

Явище широко застосовується для вимірювання напруженості магнітних полів. Створення матеріалу, в якому б поєднувалися елементи з позитивним і негативним коефіцієнтом Холла, дозволило б сформулювати ефективні і дешеві датчики для визначення неоднорідностей магнітних полів - градієнтів, вихорів і т.д. А «управління» параметрами холловського напруги дозволило б підлаштовувати провідні властивості наявного в розпорядженні матеріалу в залежності від його застосування.

Одним із способів створення матеріалів із заданими властивостями є зміна їх мікроструктури. Так, властивості деяких композитів виявляються залежними швидше від штучно створеної людиною періодичної мікроструктури, а не від властивостей складових композит речовин. Такі композити називають метаматеріалами.

Модельний елемент тривимірної мікроструктури створюваних авторами метаматеріалів. a - розмір елементарної комірки, R - радіус складових структуру кілець, t - товщина цинк-оксидного шару, 2r - товщина кільця, d - довжина містків між ланками, або параметр сепарації.

Christian Kern at al./ PRL 2017

Автори нової роботи змогли сконструювати такий метаматериал, знак і величина коефіцієнта Холла в якому може значно відрізнятися від параметрів вихідного матеріалу. Те, наскільки сильним буде зміна, повністю визначається мікроструктурою.

Це означає, наприклад, що якщо у вас є тільки напівпровідник n-типу , Носіями заряду в якому є електрони, ви можете виготовити з нього матеріал, що виявляє провідні властивості напівпровідника p-типу . В останньому носіями заряду є дірки, але створивши особливу мікроструктуру, можна домогтися прояву провідних властивостей діркового напівпровідника в електронному, не змінюючи при цьому самі носії заряду.

Мікроструктура нового створеного матеріалу представляє собою складну тривимірну ланцюг з порожнистих ланок напівпровідника оксиду цинку. Для його створення автори спочатку створили каркас з полімеру відповідної форми, а потім за допомогою методу атомно-шарового осадження напилю на нього 185-нанометровий шар оксид цинку n-типу. Після цього на брусок штучного матеріалу також напилю контакти для подальшого вимірювання ефекту Холла.

Різні варіанти мікроструктури метаматеріалів, отриманих авторами: а) полімерний каркас, b) полімерний каркас, покритий шаром оксиду цинку.

Christian Kern at al./ PRL 2017

Різні варіанти мікроструктури метаматеріалів, отриманих авторами: с) структура з контактами, d) структура з контактами і підведеними контактними голками для вимірювання.

Christian Kern at al./ PRL 2017

Автори відзначають, що в даному випадку «науку надихнуло мистецтво», оскільки ідею тривимірних цепочечних структур вчені почерпнули у майстри по кольчужного плетіння Ділона Віта . Створена авторами «мікрокольчуга» з порожніх кілець оксиду цинку змінює свої властивості в залежності від довжини містків між ланками, або так званого параметра сепарації. При певному її значенні відбувається інверсія знака коефіцієнта Холла, тобто матеріал набуває властивостей напівпровідника з іншим типом носіїв заряду. Грубо кажучи, в магнітному полі носії заряду в «мікрокольчуге» відхиляються в протилежну свого звичайного напрямку сторону, як якщо вони мали б протилежний знак.

Результати вимірювання 12 зразків з різною мікроструктурою. При певних значеннях параметра сепарації спостерігається інверсія знака коефіцієнта Холла.

Christian Kern at al./ PRL 2017

Це далеко не перший приклад метаматериала, властивості якого відрізняються від зустрічаються в природі. Так, на початку 2000-х були експериментально створені матеріали з негативним коефіцієнтом заломлення, що проявляють унікальні оптичні властивості. На основі таких матеріалів вчені планують створити маскувальні плащі-невидимки для різних частот електромагнітного випромінювання, а також сконструювати «Суперлінзу», що дозволить подолати дифракційну межу.

Катерина Козлякова