Im Jahr 1879 bemerkte Edwin Hall, dass ein Magnetfeld, das senkrecht zum Strom in einem Leiter steht, eine Querspannung erzeugt. Mehr als ein Jahrhundert lang galt, dass der Effekt nur in dieser Position wirkt – das Feld streng senkrecht zur Probenebene. Wissenschaftler der Carnegie Mellon University haben das Gegenteil bewiesen.
Die Forscher stellten eine ultradünne Heterostruktur aus mehreren Atomschichten Tantal-Iridium-Tellurid und magnetischem Chrom-Germanium-Tellurid her. Dank der präzisen Abstimmung der Kristallsymmetrie und des engen Kontakts der Schichten drang der Magnetismus aus dem zweiten Material in das erste ein, ohne dessen elektronische Eigenschaften zu zerstören.
In solchen Bauelementen registrierten die Wissenschaftler nicht nur das gewohnte Hall-Signal, sondern auch eine zweite, ungewöhnliche Antwort, die von der Magnetisierung in der Ebene des Materials abhängt. Das bedeutet, dass ein einziger miniaturisierter Sensor nun in der Lage ist, das Magnetfeld gleichzeitig entlang zweier Achsen zu messen.
Früher musste man für die Vektormagnetometrie zwei separate Sensoren einsetzen. Die neue Architektur vereinfacht die Konstruktion und ebnet den Weg zu kompakteren Geräten in der Elektronik, im Verkehr und in der medizinischen Diagnostik.
Die theoretische Modellierung zeigte, dass an der Grenze der Schichten eine zusätzliche Spin-Bahn-Wechselwirkung entsteht, die die zuvor „verbotene“ Antwort ermöglicht. Das Experiment bestätigte die Vorhersagen, obwohl der genaue Mechanismus noch geklärt wird.
Das Team sucht bereits nach anderen Materialkombinationen und prüft die Funktion der Bauelemente bei Raumtemperatur. Sollte sich das Ergebnis als stabil erweisen, könnten einkristalline mehrdimensionale Hall-Sensoren schon in den nächsten Jahren in Alltagsgeräten auftauchen.
Ein winziges Bauelement kann nun mehrere frühere Sensoren ersetzen.
