Дослідницька група з Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) та Університету Салерно в Італії виявила, що тонкі плівки елементарного вісмуту демонструють так званий нелінійний ефект Холла, який можна застосувати в технологіях для контрольованого використання. терагерцових високочастотних сигналів на електронних мікросхемах. Як повідомляє команда в Nature Electronics, вісмут поєднує в собі кілька переваг, яких на сьогодні немає в інших системах. Зокрема, квантовий ефект спостерігається при кімнатній температурі. Тонкошарові плівки можна наносити навіть на пластикові підкладки і тому можуть бути придатними для сучасних високочастотних технологій.
«Коли ми подаємо струм до певних матеріалів, вони можуть генерувати напругу, перпендикулярну йому. Ми, фізики, називаємо це явище ефектом Холла, що фактично є об’єднуючим терміном для ефектів з однаковим впливом, але які відрізняються основними механізмами на рівні електронів. Як правило, зареєстрована напруга Холла лінійно залежить від прикладеного струму», — говорить д-р Денис Макаров з Інституту фізики іонного пучка та дослідження матеріалів HZDR.
Більшість цих ефектів є результатом впливу магнітних полів або магнетизму в матеріалі. Однак у 2015 році вчені виявили, що ефект Холла може відбуватися і без впливу магнетизму. «Ми досягаємо цього за допомогою матеріалів, кристалічна структура яких дозволяє створювати напруги Холла, які більше не залежать лінійно від струму», — додає професор Карміне Ортікс з фізичного факультету Університету Салерно. Цей ефект представляє великий інтерес, оскільки він робить можливими нові типи компонентів для високошвидкісної електроніки.
Двоє дослідників об’єднали зусилля в пошуку відповідних матеріалів і можливого практичного застосування цього так званого нелінійного ефекту Холла. У той час як Ортікс є фізиком-теоретиком, Макаров привносить експериментальне ноу-хау та зв’язок з іншими інститутами в HZDR, які суттєво залучені до роботи зі своїм досвідом. «Ми зібралися з колегами з Центру потужних джерел випромінювання ELBE, Лабораторії сильного магнітного поля та Інституту екології ресурсів. Спільна мета: визначити відповідний матеріал, з яким цей квантовий ефект може проявлятися контрольованим чином при кімнатній температурі, який також буде простим у обробці та нетоксичним», — розповідає Макаров, описуючи стартову точку спільної роботи.
Знайомий матеріал, нові властивості
В елементарному матеріалі вісмуті команда знайшла кандидата, який демонструє ці властивості. Вісмут відомий своїм сильним класичним ефектом Холла, який присутній в основній масі матеріалу. Дослідники виявили, що на поверхнях натомість квантові ефекти домінують і керують струмом навіть за кімнатної температури.
Головною перевагою цього підходу є те, що дослідники можуть застосовувати свої тонкі плівки з квантовими властивостями до різноманітних підкладок для електроніки, таких як кремнієві пластини та навіть пластик. Команда досягає контролю над ефектом за допомогою складної мікрофабрикації: вони можуть безпосередньо впливати на струми через геометрію каналів на чіпі.
Нові квантові матеріали з технологічним значенням
Інші команди вже створили ряд матеріалів, які демонструють нелінійний ефект Холла, але вони не поєднують у собі всі бажані властивості. Графен, наприклад, безпечний для навколишнього середовища, і його нелінійний ефект Холла можна добре контролювати, але лише при температурах нижче приблизно -70 градусів за Цельсієм . Це означає, що якщо дослідники хочуть використати ефект, вони повинні охолодити його рідким азотом. Для інших сполук їм довелося б використовувати ще нижчі температури.
Зараз дослідження зосереджені на пошуку відповідних матеріалів, але вчені вже думають наперед. «Ми бачимо технологічний потенціал насамперед у перетворенні терагерцових електромагнітних хвиль у постійний струм за допомогою наших тонкоплівкових матеріалів. Це зробить можливими нові компоненти для високочастотного зв’язку», – каже Ортікс. Щоб гарантувати значно вищі швидкості передачі даних, майбутні системи бездротового зв’язку повинні будуть розширити несучу частоту понад 100 гігагерц до терагерцового діапазону, який недосяжний для сучасних технологій.