Структурные схемы тонкой пластинки Te и характеристики NLHE в устройстве Te.
Кредит: команда профессора Цзэна

Нелинейный эффект Холла (НЭХ) представляет собой реакцию второго порядка на приложенный переменный ток (AC), которая может генерировать сигналы второй гармоники без введения внешнего магнитного поля. НЭХ представляет значительный научный интерес из-за его потенциальных применений в устройствах удвоения частоты и выпрямления.

Однако предыдущие исследования столкнулись с такими проблемами, как низкие выходные напряжения Холла и низкие рабочие температуры, что затрудняло практическое применение НЭХ. В настоящее время НЭХ при комнатной температуре наблюдался только в полуметалле Дирака BaMnSb₂ и полуметалле Вейля TaIrTe₄ , оба из которых демонстрируют относительно небольшие выходные напряжения и не обладают настраиваемостью.

Для решения этих проблем исследовательская группа приняла решение искать системы, демонстрирующие исключительные НЭХ в полупроводниковых материалах. Они изучили нелинейный отклик Te, узкозонного полупроводника, характеризующегося одномерными атомными спиральными цепочками структур, которые по своей сути нарушают инверсионную симметрию, что делает Te идеальным кандидатом.

Команда обнаружила значительный НЭХ при комнатной температуре в тонких чешуйках Te с настраиваемыми выходами напряжения Холла, модулированными внешними напряжениями затвора. При 300 К максимальный выход второй гармоники может достигать 2,8 мВ, что на порядок выше предыдущих записей. С помощью дальнейших экспериментов и теоретического анализа они обнаружили, что наблюдаемый НЭХ в тонких чешуйках Te в первую очередь обусловлен внешним рассеянием, причем нарушение симметрии поверхности тонкой структуры чешуек играет решающую роль.

Опираясь на этот прорыв, команда заменила переменный ток радиочастотными (РЧ) сигналами, реализовав беспроводное РЧ-выпрямление в тонких хлопьях Те. Они добились стабильного выпрямленного выходного напряжения в широком диапазоне частот от 0,3 до 4,5 ГГц.

В отличие от обычных выпрямителей, которые используют pn-переходы или переходы металл-полупроводник, выпрямитель Холла, основанный на внутренних свойствах Те, обеспечивает широкополосный отклик при нулевом смещении, что делает его привлекательным вариантом для разработки эффективных и надежных устройств сбора энергии и беспроводной зарядки.

Раскрывая основные механизмы нелинейного переноса энергии в Te, это исследование не только расширяет наши знания о нелинейном переносе в твердых материалах, но и открывает новые возможности для будущего развития современных электронных устройств.

Группу возглавляли профессор Цзэн Чанган и научный сотрудник Ли Линь из Китайского университета науки и технологий (USTC) Китайской академии наук (CAS).