Німецькі фізики вперше сконструювали штучний метаматеріал, в якому відбувається інверсія знака коефіцієнта Холла - параметра, що визначає провідні властивості багатьох речовин. Одне з незвичайних 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 з її коротким описом можна ознайомитися на сайті.
Ефект Холу - явище виникнення різності потенціалів (напруги) при приміщенні провідника з постійним струмом у магнітне поле. Причому ця різність потенціалів перпендикулярна як напрямку постійного струму, так і магнітного поля.
У класичній фізиці поява холівської напруги пояснюється дією сили Лоренца - впливу електромагнітного поля на рух заряджених частинок. Магнітне поле відхиляє рухомі заряди в ту чи іншу сторону залежно від їх знака (позитивні дірки або негативні електрони), в результаті у одного краю зразка накопичується зайвий заряд і, тим самим, виникає різність потенціалів. Напрямок різниці потенціалів (або знак коефіцієнта Холла) в найпростішому випадку дозволяє визначити, які носії заряду (електрони або дірки) відповідальні за провідність досліджуваної речовини.
Явище широко застосовується для вимірювання напруженості магнітних полів. Створення матеріалу, в якому б поєднувалися елементи з позитивним і негативним коефіцієнтом Холу, дозволило б сконструювати ефективні і дешеві датчики для визначення неоднорідностей магнітних полів - градієнтів, вихорів тощо. А «управління» параметрами холівської напруги дозволило б підлаштовувати провідні властивості наявного в розпорядженні матеріалу залежно від його застосування.
Одним із способів створення матеріалів з 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.
Автори нової роботи змогли сконструювати такий метаматеріал, знак і величина коефіцієнта Холу в якому може значно відрізнятися від параметрів вихідного матеріалу. Те, наскільки сильною 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 проявляє провідні властивості напівпровідника p-типу. В останньому носіями заряду є дірки, але створивши особливу мікроструктуру, можна домогтися прояву діркового напівпровідника в електронному, не змінюючи при цьому самі носії заряду.
Мікроструктура нового створеного матеріалу являє собою складний тривимірний ланцюг з порожніх ланок напівпровідника оксиду цинку. Для його створення автори спочатку створили каркас з полімеру відповідної форми, а потім за допомогою методу атомно-шарного осадження напилили на нього 185-нанометровий шар оксид цинку n-типу. Після цього на брусок штучного матеріалу також напилили контакти для подальшого вимірювання ефекту Холла.
Автори відзначають, що в даному випадку «науку надихнуло мистецтво», оскільки ідею тривимірних ланцюжкових структур вчені почерпнули у майстра з кольчужного плетіння Ділона Віта. Створена авторами «мікрокольчуга» з порожніх кілець оксиду цинку змінює свої властивості залежно від довжини містків між ланками, або так званого параметра сепарації. При певному її значенні відбувається інверсія знака коефіцієнта Холу, тобто матеріал набуває властивостей напівпровідника з іншим типом носіїв заряду. Грубо кажучи, в магнітному полі носії заряду в «мікрокольчузі» відхиляються в протилежний своєму звичайному напрямку бік, як якщо вони мали б протилежний знак.
Це далеко не перший приклад метаматеріалу, 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 дозволяє подолати дифракційну межу.