來自德累斯頓-羅斯多夫亥姆霍茲中心（HZDR）和意大利薩勒諾大學(xué)的研究小組發(fā)現(xiàn)，元素鉍薄膜表現(xiàn)出所謂的非線性霍爾效應(yīng)，該效應(yīng)可用于在電子芯片上控制使用太赫茲高頻信號(hào)的技術(shù)。正如該團(tuán)隊(duì)在《自然電子》雜志上報(bào)道的那樣，鉍結(jié)合了迄今為止其他系統(tǒng)中沒有的幾個(gè)有利特性。特別是：在室溫下觀察到量子效應(yīng)。薄層薄膜甚至可以應(yīng)用于塑料基板，因此適用于現(xiàn)代高頻技術(shù)應(yīng)用。

赫爾辛基大學(xué)赫爾辛基粒子研究所離子束物理與材料研究所的Denys Makarov博士說：“當(dāng)我們對(duì)某些材料施加電流時(shí)，它們可以產(chǎn)生垂直于它的電壓。我們物理學(xué)家將這種現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)，它實(shí)際上是具有相同影響但電子水平基礎(chǔ)機(jī)制不同的效應(yīng)的統(tǒng)稱。通常，霍爾電壓與施加的電流呈線性關(guān)系�！�

鉍薄膜中的非線性霍爾效應(yīng)可以通過微加工弧形通道的幾何形狀來控制。

這些效應(yīng)大多是由材料中的磁場或磁性影響造成的。然而，2015年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)霍爾效應(yīng)在沒有磁性影響的情況下也會(huì)發(fā)生�！拔覀冇镁�體排列使得霍爾電壓不再與電流呈線性關(guān)系的材料實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，”薩勒諾大學(xué)物理系的卡米恩·奧爾蒂克斯教授補(bǔ)充道。這種效應(yīng)引起了極大的興趣，因?yàn)樗鼮楦咚匐娮釉O(shè)備提供了新型組件。

兩位研究人員聯(lián)手尋找合適的材料，以及這種所謂的非線性霍爾效應(yīng)的可能實(shí)際應(yīng)用。奧爾蒂克斯是一名理論物理學(xué)家，馬卡羅夫帶來了實(shí)驗(yàn)技術(shù)，以及與赫茲魯茲研究所其他研究所的聯(lián)系，這些研究所都以其專業(yè)知識(shí)積極參與這項(xiàng)工作。“我們與埃爾布高功率輻射源中心、高磁場實(shí)驗(yàn)室和資源生態(tài)研究所的同事們一起合作。共同目標(biāo)：找到一種合適的材料，這種材料可以在室溫下以可控的方式顯現(xiàn)出這種量子效應(yīng)，而且易于處理且無毒，”馬卡羅夫在描述聯(lián)合工作的起點(diǎn)時(shí)說。

熟悉的材料，新的特性

在元素材料鉍中，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種具有這些特性的候選材料。鉍以其強(qiáng)烈的經(jīng)典霍爾效應(yīng)而聞名，這種效應(yīng)存在于大部分材料中。研究人員發(fā)現(xiàn)，在表面，量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位，即使在室溫下也能控制電流。

該方法的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，研究人員可以將具有量子特性的薄膜應(yīng)用于各種電子基板，如硅片甚至塑料。該團(tuán)隊(duì)通過復(fù)雜的微加工實(shí)現(xiàn)了對(duì)效應(yīng)的控制：他們可以通過芯片上的通道幾何形狀直接影響電流。

具有技術(shù)相關(guān)性的新型量子材料

其他團(tuán)隊(duì)已經(jīng)創(chuàng)造了許多表現(xiàn)出非線性霍爾效應(yīng)的材料，但他們并沒有結(jié)合所有理想的特性。例如，石墨烯對(duì)環(huán)境安全，其非線性霍爾效應(yīng)可以很好地控制，但只能在約-70攝氏度以下的溫度下。這意味著如果研究人員想要使用這種效應(yīng)，他們必須用液氮冷卻。對(duì)于其他化合物，他們必須使用更低的溫度。

目前，研究集中在尋找合適的材料上，但科學(xué)家們已經(jīng)提前思考。Ortix說：“我們首先看到的是使用我們的薄膜材料將太赫茲電磁波轉(zhuǎn)化為直流電的技術(shù)潛力。這將使高頻通信的新組件成為可能”。為了確保更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，未來的無線通信系統(tǒng)必須將載波頻率擴(kuò)展到100千兆赫以上，進(jìn)入太赫茲范圍，這是目前技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

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