研究人员在铋薄膜中发现可调谐室温非线性霍尔效应

来自亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫中心 (HZDR) 和意大利萨莱诺大学的研究小组发现，元素铋薄膜表现出所谓的非线性霍尔效应，可应用于受控使用技术电子芯片上的太赫兹高频信号。

正如该团队在《自然电子》杂志上报道的那样，铋结合了迄今为止其他系统中未发现的几种有利特性。特别是，在室温下观察到量子效应。这种薄膜甚至可以应用于塑料基材上，因此适合现代高频技术应用。

“当我们对某些材料施加电流时，它们会产生垂直于它的电压。我们物理学家将这种现象称为霍尔效应，这实际上是具有相同影响的效应的统一术语，但其基本机制有所不同。 HZDR 离子束物理和材料研究所的 Denys Makarov 博士说：“电子级。通常，记录的霍尔电压与施加的电流线性相关。”

大多数这些效应是材料中磁场或磁性影响的结果。然而，2015年，科学家发现霍尔效应在没有磁性的影响下也能发生。

萨勒诺大学物理系的 Carmine Ortix 教授补充道：“我们使用晶体排列的材料实现了这一目标，使霍尔电压不再与电流呈线性关系。” 这种效应引起了人们极大的兴趣，因为它使得新型高速电子元件成为可能。

两位研究人员联手寻找合适的材料以及这种所谓的非线性霍尔效应的可能实际应用。虽然 Ortix 是一名理论物理学家，但 Makarov 带来了实验知识，以及与 HZDR 其他研究所的联系，这些研究所凭借其专业知识积极参与了这项工作。

“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聚在一起。共同的目标是：找到一种合适的材料，使这种量子效应能够在室内以受控的方式出现。温度低，而且易于处理且无毒，”马卡罗夫在描述联合工作的出发点时说道。

熟悉的材料，新的特性

在元素材料铋中，研究小组找到了具有这些特性的候选材料。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，量子效应也主导并控制着电流。

该方法的一个主要优点是，研究人员可以将具有量子特性的薄膜应用于硅晶圆甚至塑料等各种电子基板。该团队通过复杂的微加工实现了对效应的控制：它们可以通过芯片上通道的几何形状直接影响电流。

具有技术相关性的新型量子材料

其他团队已经创建了许多具有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，石墨烯对环境无害，其非线性霍尔效应可以很好地控制，但只能在低于零下 70 摄氏度的温度下进行。这意味着如果研究人员想要利用这种效应，他们必须用液氮将其冷却。对于其他化合物，他们必须使用更低的温度。

目前的研究重点是寻找合适的材料，但科学家们已经在提前思考。“我们首先看到了使用我们的薄膜材料将太赫兹电磁波转换为直流电的技术潜力。这将使用于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100GHz扩展到太赫兹范围，这是当今技术无法达到的。