Un metamaterial invierte el efecto Hall

Inventada por los celtas probablemente en el siglo V antes de la era común, la cota de malla, una armadura metálica formada por anillos de hierro forjado unidos entre sí, fue usada por los romanos, durante toda la Edad Media y hasta entrado el siglo XVI como forma de protección contra los objetos punzantes. El patrón básico que la forma, donde un anillo está unido a cuatro, forma geometrías más complejas que dan lugar hoy a metamateriales con propiedades muy exóticas.

En 1879 Edwin Hall descubrió que en un conductor por el que circula una corriente eléctrica en presencia de un potente campo magnético perpendicular aparece otra corriente eléctrica perpendicular tanto a la corriente original como al campo magnético. La potencia de esta corriente es proporcional tanto a la densidad de la corriente original como a la del campo magnético. La constante de proporcionalidad se llama coeficiente de Hall.

Ahora, un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Karlsruhe coordinado por Martin Wegener ha desarrollado un nuevo metamaterial con geometría de cota de malla en el que el hecho de adoptar esa geometría cambia el signo del coeficiente de Hall del material con el que está formada.

El efecto Hall es la base de los sensores magnéticos que emplean, por ejemplo, las brújulas de los teléfonos inteligentes. La mayoría de los sólidos, en los que la corriente la transportan los electrones, tienen un coeficiente de Hall negativo; el coeficiente es positivo solo en el caso de que la corriente fluya en forma de agujeros (lugares en los que no hay un electrón), como ocurre en los semiconductores del tipo p. En 2015 el grupo de Wegener propuso un diseño de metamaterial en el que el coeficiente sería positivo aunque los elementos estructurales tuviesen un coeficiente negativo. Cada punto en la celdilla unidad en la estructura de este material sería un toro (anillo) semiconductor hueco, y la celdilla unidad sería la misma que la de la cota de malla.

Lo que ahora han hecho los investigadores es llevar a cabo su idea fabricando un andamio polimérico en 3D al que han recubierto de óxido de zinc. Una vez construido han medido el coeficiente de Hall para estructuras con varias distancias entre los toros, demostrando que el signo del coeficiente depende de esta distancia.

Este metamaterial podría usarse para construir nuevos sensores magnéticos que contengan elementos con coeficientes de Hall tanto positivos como negativos y que podrían por tanto detectar gradientes o vórtices en un campo magnético.

Referencia:Christian Kern, Muamer Kadic, and Martin Wegener (2017) Experimental Evidence for Sign Reversal of the Hall Coefficient in Three-Dimensional Metamaterials Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.118.016601