Forskere opdager afstembar ulineær Hall-effekt ved stuetemperatur i tynde vismutfilm

Et forskerhold fra Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og Universitetet i Salerno i Italien har opdaget, at tynde film af elementært vismut udviser den såkaldte ikke-lineære Hall-effekt, som kunne anvendes i teknologier til kontrolleret brug af terahertz højfrekvente signaler på elektroniske chips.

Bismuth kombinerer flere fordelagtige egenskaber, som ikke er fundet i andre systemer til dato, som teamet rapporterer i Nature Electronics . Specielt observeres kvanteeffekten ved stuetemperatur. Tyndtlagsfilmene kan påføres selv på plastikunderlag og kan derfor være velegnede til moderne højfrekvente teknologiapplikationer.

"Når vi tilfører en strøm til visse materialer, kan de generere en spænding vinkelret på den. Vi fysikere kalder dette fænomen for Hall-effekten, som faktisk er en samlende betegnelse for effekter med samme påvirkning, men som adskiller sig i de underliggende mekanismer ved elektronniveau Typisk er den registrerede Hall-spænding lineært afhængig af den påførte strøm," siger Dr. Denys Makarov fra Institute of Ion Beam Physics and Materials Research ved HZDR.

De fleste af disse effekter er et resultat af påvirkningen af ​​magnetiske felter eller magnetisme i materialet. Men i 2015 opdagede forskere, at Hall-effekten også kan forekomme uden påvirkning af magnetisme.

"Vi opnår dette med materialer, hvis krystallinske arrangement muliggør Hall-spændinger, der ikke længere er lineært relateret til strømmen," tilføjer prof. Carmine Ortix fra fysikafdelingen ved University of Salerno. Denne effekt er af stor interesse, fordi den gør nye typer komponenter til højhastighedselektronik mulige.

De to forskere er gået sammen i søgen efter egnede materialer og mulige praktiske anvendelser af denne såkaldte ikke-lineære Hall-effekt. Mens Ortix er en teoretisk fysiker, bringer Makarov den eksperimentelle knowhow ind – og forbindelsen til andre institutter på HZDR, som er væsentligt involveret i arbejdet med deres ekspertise.

"Vi kom sammen med kolleger fra ELBE Center for High Power Radiation Sources, High Magnetic Field Laboratory og Institut for Ressourceøkologi. Det fælles mål:at identificere et passende materiale, med hvilket denne kvanteeffekt kan optræde på en kontrolleret måde i rummet. temperatur og som samtidig er nem at håndtere og ugiftig," siger Makarov og beskriver samlingsarbejdets udgangspunkt.

Kendt materiale, nye egenskaber

I grundstoffet bismuth har holdet fundet en kandidat, der udviser disse egenskaber. Bismuth er kendt for sin stærke klassiske Hall-effekt, som er til stede i hovedparten af ​​materialet. Forskerne opdagede, at på overflader i stedet dominerer kvanteeffekter og styrer strømstrømmen selv ved stuetemperatur.

En stor fordel ved tilgangen er, at forskerne kan anvende deres tynde film med kvanteegenskaber på en række forskellige substrater til elektronik som siliciumwafers og endda plastik. Holdet opnår kontrollen af ​​effekten gennem sofistikeret mikrofremstilling:De kan direkte påvirke strømmene via geometrien af ​​kanalerne på chippen.

Nye kvantematerialer med teknologisk relevans

Andre hold havde allerede skabt en række materialer, der udviser den ikke-lineære Hall-effekt, men de kombinerer ikke alle de ønskede egenskaber. Grafen er for eksempel miljøsikkert, og dets ikke-lineære Hall-effekt kan kontrolleres godt, men kun ved temperaturer under -70 grader Celsius. Det betyder, at hvis forskerne vil bruge effekten, skal de køle den ned med flydende nitrogen. For andre forbindelser ville de skulle bruge endnu lavere temperaturer.

Forskningen fokuserer i øjeblikket på at finde egnede materialer, men forskerne tænker allerede fremad. "Vi ser frem for alt teknologisk potentiale i omdannelsen af ​​terahertz elektromagnetiske bølger til jævnstrøm ved hjælp af vores tyndfilmsmaterialer. Dette vil gøre nye komponenter til højfrekvent kommunikation mulige," siger Ortix.

For at garantere væsentligt højere datatransmissionshastigheder vil fremtidige trådløse kommunikationssystemer skulle udvide bærefrekvensen ud over 100 gigahertz til terahertz-området, som er uden for rækkevidde med nutidens teknologier.

Flere oplysninger: Pavlo Makushko et al., A tunable room-temperature non-linear Hall effect in elemental vismut tynd film, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y

Journaloplysninger: Naturelektronik

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres