铋薄膜中的非线性霍尔效应可以通过微加工的弧形通道的几何形状来控制。来源:B. Schr?der/ HZDR
来自赫姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫中心(HZDR)和意大利萨莱诺大学的一个研究小组发现，元素铋的薄膜表现出所谓的非线性霍尔效应，这可以应用于电子技术控制太赫兹高频信号在电子上的使用网卡芯片。正如研究小组在《科学》杂志上报道的那样，铋结合了迄今为止在其他系统中没有发现的几种有利性质电子性质． 特别是:量子效应是在室温下观察到的。薄层薄膜甚至可以应用在塑料衬底上，因此可以适用于现代高频技术应用。
“当我们对某些材料施加电流时，它们可以产生垂直于它的电压。我们物理学家称这种现象为霍尔效应，它实际上是具有相同影响的效应的统一术语，但它们在电子水平上的潜在机制不同。通常，霍尔电压与施加的电流呈线性关系，”HZDR离子束物理与材料研究所的Denys Makarov博士说。
这些效应大多是材料中磁场或磁性影响的结果。然而，在2015年，科学家们发现霍尔效应也可以在没有磁力影响的情况下发生。萨莱诺大学物理系的Carmine Ortix教授补充说:“我们用晶体排列的材料实现了这一点，使霍尔电压不再与电流线性相关。”这种效应非常有趣，因为它使高速电子器件的新型元件成为可能。
两位研究人员已经联手寻找合适的材料和这种所谓的非线性霍尔效应的可能的实际应用。Ortix是一名理论物理学家，而Makarov带来了实验技术，并与HZDR的其他研究所建立了联系，这些研究所以其专业知识参与了这项工作。“我们与来自ELBE高功率辐射源中心、高磁场实验室和资源生态研究所的同事们聚在一起。共同的目标是:找到一种合适的材料，这种材料可以在室温下以可控的方式出现这种量子效应，而且易于处理且无毒，”马卡洛夫在描述联合工作的起点时说。
熟悉的材料，新的性能
在元素物质铋中，研究小组发现了一种具有这些特性的候选物质。铋以其强烈的经典霍尔效应而闻名，这种效应存在于大部分材料中。研究人员发现，在表面上，即使在室温下，量子效应也主导和控制着电流。
该方法的一个主要优点是，研究人员可以将其具有量子特性的薄膜应用于各种电子衬底，如硅片甚至塑料。该团队通过复杂的微加工实现了对效果的控制:他们可以通过芯片上通道的几何形状直接影响电流。
与技术相关的新量子材料
其他团队已经创造了许多表现出非线性霍尔效应的材料，但它们并没有结合所有理想的特性。例如，石墨烯是环保的，它的非线性霍尔效应可以很好地控制，但只有在零下70摄氏度以下的温度下。这意味着，如果研究人员想要利用这种效应，他们必须用液氮冷却。对于其他化合物，他们将不得不使用更低的温度。
目前的研究重点是寻找合适的材料，但科学家们已经在未雨绸缪了。“我们首先看到了利用我们的薄膜材料将太赫兹电磁波转换成直流电的技术潜力。这将使高频通信的新组件成为可能，”Ortix说。为了保证更高的数据传输速率，未来的无线通信系统必须将载波频率从100千兆赫扩展到太赫兹范围，这是目前技术无法达到的。
参考文献:“元素铋薄膜中可调谐的室温非线性霍尔效应”，作者:Pavlo Makushko, Sergey Kovalev, Yevhen Zabila, Igor Ilyakov, Alexey Ponomaryov, Atiqa Arshad, Gulloo Lal Prajapati, Thales V. a.g. de Oliveira, Jan-Christoph Deinert, Paul Chekhonin, Igor Veremchuk, Tobias Kosub, yuri Skourski, Fabian Ganss, Denys Makarov和Carmine Ortix, 2024年2月2日，Nature Electronics。DOI: 10.1038 / s41928 - 024 - 01118 - y
