مشاهده مستقیم اثر اسپین کوانتومی هال

گروهی از محققان بین‌المللی توانسته‌اند مشاهده دقیقی از یک پدیده غیرمعمول داشته باشند. جزئیات این مشاهده در شماره جاری (۱۳ فوریه ۲۰۰۹) مجله Science منتشر شده است. این محققان برای اولین بار توانسته‌اند اسپین الکترون‌ها را در یک ماده که اثر اسپین کوانتومی Hall را از خود نشان می‌دهد، به طور مستقیم اندازه بگیرند. این اثر به صورت تئوری در سال ۲۰۰۴ پیش‌بینی شده و در سال ۲۰۰۷ برای اولین بار مشاهده شد.

گروهی از محققان بین‌المللی توانسته‌اند مشاهده دقیقی از یک پدیده غیرمعمول
داشته باشند. جزئیات این مشاهده در شماره جاری (۱۳ فوریه ۲۰۰۹) مجله Science
منتشر شده است. این محققان برای اولین بار توانسته‌اند اسپین الکترون‌ها را در
یک ماده که اثر اسپین کوانتومی Hall را از خود نشان می‌دهد، به طور مستقیم
اندازه بگیرند. این اثر به صورت تئوری در سال ۲۰۰۴ پیش‌بینی شده و در سال ۲۰۰۷
برای اولین بار مشاهده شد.

جالب این است که جریانات اسپینی بدون نیاز به هرگونه محرک خارجی و در نتیجه
ساختار درونی خود ماده جاری می‌شوند. جریان اطلاعات حتی در مورد بی‌نظمی‌های
بسیار کوچک نیز بدون اتلاف صورت می‌گیرد. این تحقیق می‌تواند راه را برای تولید
رایانه‌های کوانتمی مقاوم در برابر اتلاف باز کرده و منبعی از جریانات اسپینی
ایجاد کند.

در سال ۲۰۰۷ محققان آلمانی و آمریکایی پدیده جدیدی مشاهده کردند که می‌توانست
امکان انتقال و دستکاری الکتریکی اطلاعات را در ابزارهای ذخیره‌سازی آینده
تقریباً بدون هرگونه اتلافی فراهم نماید (اثر اسپین کوانتومی هال). این اکتشاف
توسط مجله معروف Science به عنوان یکی از ده اکتشاف برتر سال ۲۰۰۷ برگزیده شد.

اولین مطالعه که موفق به مشاهده مستقیم اسپین ذرات جاری شده است، در شماره ۱۳
فوریه مجله Science منتشر شد. یک گروه بین‌المللی از محققان شامل دکتر گوستاف
بیلمیر از موسسه Forschungszentrum Julich موفق به انجام این کار شده‌اند.
تاکنون اثر اسپین کوانتومی هال تنها به صورت غیرمستقیم قابل اثبات بود.

دکتر گوستاف بیلمیر می‌گوید: «ما توانستیم برای اولین بار نشان دهیم که دو
جریان اسپینی در لبه یک آلیاژ بیسموت و آنتی‌موان در جهت‌های مخالف هم جریان
می‌یابند. نیازی به هیچ انرژی خارجی نیست، هیچ‌گونه اتلافی صورت نمی‌گیرد».
دلیل این پدیده حیرت‌آور برهمکنش درون ماده است. مطلب بسیار جذاب برای
دانشمندان مواد این است که نقایص درون ماده تأثیر منفی در جریانات اسپینی ایجاد
نمی‌کنند. بیلمیر توضیح می‌دهد: «این بدان معناست که جریانات اسپینی موادی را
که به نام مواد مکان‌شناس (topological materials) شناخته می‌شوند، می‌توان به
صورت الکتریکی کنترل کرد و بنابراین این مواد می‌توانند به عنوان منابع اسپین
مورد استفاده قرار بگیرند. در آینده فرایند ما این امکان را ایجاد خواهد کرد که
بتوان قابلیت مواد را برای این منظور بررسی کرد.»

این مطالعه از محاسبات تئوری و طیف‌سنجی فتوالکترونی بهره می برد. فوتون‌های یک
تابش سینکروترونی موجب می‌شوند که الکترون‌ها از سطح ماده نشر پیدا کنند. از
توزیع انرژی و ممان الکترون‌های تابشی، و همچنین اسپین ذرات منتشر شده می‌توان
برای به دست آوردن اطلاعات واقعی راجع به اثر اسپین کوانتومی هال بهره برد.