En forskargrupp från Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och universitetet i Salerno i Italien har upptäckt att tunna filmer av elementär vismut uppvisar den så kallade icke-linjära Hall-effekten, som skulle kunna tillämpas i teknologier för kontrollerad användning av terahertz högfrekventa signaler på elektroniska chips.
Bismuth kombinerar flera fördelaktiga egenskaper som hittills inte hittats i andra system, som teamet rapporterar i Nature Electronics . Speciellt observeras kvanteffekten vid rumstemperatur. Tunnskiktsfilmerna kan appliceras även på plastsubstrat och kan därför vara lämpliga för moderna högfrekvensteknologiapplikationer.
"När vi applicerar en ström på vissa material kan de generera en spänning som är vinkelrät mot den. Vi fysiker kallar detta fenomen för Hall-effekten, som egentligen är en förenande term för effekter med samma påverkan, men som skiljer sig i de underliggande mekanismerna vid elektronnivå Vanligtvis är den registrerade Hallspänningen linjärt beroende av den applicerade strömmen", säger Dr. Denys Makarov från Institutet för jonstrålefysik och materialforskning vid HZDR.
De flesta av dessa effekter är ett resultat av påverkan av magnetiska fält eller magnetism i materialet. Men 2015 upptäckte forskare att Hall-effekten också kan inträffa utan påverkan av magnetism.
"Vi uppnår detta med material vars kristallina arrangemang möjliggör Hall-spänningar som inte längre är linjärt relaterade till strömmen", tillägger Prof. Carmine Ortix från fysikavdelningen vid University of Salerno. Denna effekt är av stort intresse eftersom den möjliggör nya typer av komponenter för höghastighetselektronik.
De två forskarna har gått samman i sökandet efter lämpliga material och möjliga praktiska tillämpningar av denna så kallade icke-linjära Hall-effekt. Medan Ortix är en teoretisk fysiker, tar Makarov in experimentellt kunnande – och kopplingen till andra institut vid HZDR, som är mycket involverade i arbetet med sin expertis.
"Vi träffade kollegor från ELBE Center for High Power Radiation Sources, High Magnetic Field Laboratory och Institute for Resource Ecology. Det gemensamma målet:att identifiera ett lämpligt material med vilket denna kvanteffekt kan uppträda på ett kontrollerat sätt i rummet temperatur och som dessutom är lätthanterlig och giftfri", säger Makarov och beskriver utgångspunkten för fogarbetet.
I grundmaterialet vismut har teamet hittat en kandidat som uppvisar dessa egenskaper. Vismut är känt för sin starka klassiska Hall-effekt som finns i huvuddelen av materialet. Forskarna upptäckte att på ytor istället dominerar kvanteffekter och styr strömflödet även vid rumstemperatur.
En stor fördel med tillvägagångssättet är att forskarna kan applicera sina tunna filmer med kvantegenskaper på en mängd olika substrat för elektronik som kiselskivor och till och med plast. Teamet uppnår kontroll av effekten genom sofistikerad mikrotillverkning:De kan direkt påverka strömmarna via geometrin hos kanalerna på chipet.
Andra team hade redan skapat ett antal material som uppvisar den icke-linjära Hall-effekten, men de kombinerar inte alla önskvärda egenskaper. Grafen är till exempel miljösäkert och dess icke-linjära Hall-effekt kan kontrolleras väl, men endast vid temperaturer under –70 grader Celsius. Det betyder att om forskarna vill använda effekten måste de kyla ner den med flytande kväve. För andra föreningar skulle de behöva använda ännu lägre temperaturer.
Forskningen fokuserar för närvarande på att hitta lämpliga material, men forskarna tänker redan framåt. "Vi ser teknisk potential framför allt i omvandlingen av terahertz elektromagnetiska vågor till likström med hjälp av våra tunnfilmsmaterial. Detta kommer att möjliggöra nya komponenter för högfrekvent kommunikation", säger Ortix.
För att garantera avsevärt högre dataöverföringshastigheter kommer framtida trådlösa kommunikationssystem att behöva utöka bärfrekvensen över 100 gigahertz till terahertzområdet, vilket är utom räckhåll med dagens teknik.
Mer information: Pavlo Makushko et al, A tunable room-temperature nonlinar Hall effect in elemental vismut thin filmer, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
