在導電材料中，磁場使電流發生偏轉，這就產生了所謂的霍爾效應。這種效應常被用來測量磁場。一個令人驚訝的發現已經在你維恩,與保羅謝勒研究所的科學家們合作(瑞士),McMater大學(加拿大)和萊斯大學(美國):一個奇異的金屬鈰,鉍和鈀的檢查,發現了一個巨大的霍爾效應產生的材料,總沒有任何磁場。產生這一意外結果的原因在於電子的不尋常特性:它們的行為就像材料中存在磁單極子一樣。這些發現已經發表在美國國家科學院院刊上。

垂直於電流的電壓

當電流流過金屬條時，電子就從一端移動到另一端。如果一個磁鐵被放置在這個條形物體旁邊，一個力作用在電子上——所謂的洛倫茲力。電子穿過金屬帶的路徑不再是直的了，它有點彎了。因此，現在金屬條的一邊比另一邊有更多的電子，這就產生了一個垂直於電流流動方向的電壓。這就是眾所周知的經典霍爾效應。

“測量霍爾效應的強度是我們在實驗室中表徵材料的方法之一，”屠維恩固態物理研究所的西爾克教授Bühler-Paschen說。“透過這樣的實驗，你可以瞭解到很多關於固態電子的行為。”當Sami Dzsaber在Bühler-Paschen的研究小組研究他的論文時，他非常認真地檢查了材料Ce3Bi4Pd3，他也進行了一個沒有磁場的測量。“實際上，這是一個不同尋常的想法——但在這個案例中，這是決定性的一步，”Silke Bühler-Paschen說。

測量結果顯示，即使沒有外部磁場，這種材料也會表現出霍爾效應——不僅僅是普通的霍爾效應，而是一個巨大的霍爾效應。在普通材料中，只有巨大的電磁線圈才能產生這種強度的霍爾效應。“所以我們必須回答另一個問題，”西爾克說Bühler Paschen。“如果霍爾效應在沒有外部磁場的情況下發生，我們是否有可能面對的是極其強烈的區域性磁場，這種磁場發生在材料內部的微觀尺度上，但在外部卻無法感受到?”

因此，研究工作在瑞士的保羅·謝勒研究所展開:在介子(一種非常適合研究磁現象的基本粒子)的幫助下，對這種材料進行了更嚴密的檢查。但事實證明，即使在微觀尺度上也無法探測到磁場。“如果沒有磁場，那麼也就沒有洛倫茲力可以作用在材料中的電子上——但仍然測量到了霍爾效應。”這真的很了不起，”西爾克說Bühler-Paschen。

對稱性才是最重要的

這種奇怪現象的解釋在於電子之間複雜的相互作用。“這種材料的原子是根據非常特定的對稱性排列的，而這些對稱性決定了所謂的色散關係——即電子的能量和它們的動量之間的關係。”色散關係告訴我們，當一個電子具有一定的能量時，它的運動速度有多快。”Bühler-Paschen說。“同樣重要的是，你不能單獨觀察電子——它們之間有很強的量子力學相互作用。”

這種複雜的相互作用產生的現象，從數學上看似乎在這種物質中存在磁單極子——也就是說，在這種物質中存在磁單極子。孤獨的北極和南極，在自然界中不存在這種形式。“但它實際上對電子的運動有一個非常強的磁場的影響，”Bühler-Paschen說。

這種效應在理論上已經被預測到適用於更簡單的材料，但沒有人能夠證明它。這一突破來自於對一種新型材料的研究:“我們的材料具有化學成分Ce3Bi4Pd3，其特徵是電子之間有特別強的相互作用，”Bühler-Paschen解釋道。這就是所謂的近藤效應。它使這些虛構的磁單極子具有完全正確的能量，從而極大地影響材料中的傳導電子。這就是為什麼這種效應比理論預測的要大1000倍。”

這種新的巨大自發霍爾效應對下一代量子技術具有一定的潛力。例如，在這個領域中，完全沒有外部磁場的情況下產生方向相關散射的非互易元素是很重要的;它們可以以這種效果實現。Silke Bühler-Paschen說:“材料的極端非線性行為也很有趣。”“固體中複雜的多粒子現象帶來了意想不到的應用可能性，這一事實使這一研究領域特別令人興奮。”