Нелинейным эффектом Холла в тонких пленках висмута можно управлять с помощью геометрии микроизготовленных дугообразных каналов.
Фото: Б. Шредер/HZDR

Исследовательская группа из Центра Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе (HZDR) и Университета Салерно в Италии обнаружила, что тонкие пленки элементарного висмута проявляют так называемый нелинейный эффект Холла, который может быть применен в технологиях контролируемого использования терагерцовых высокочастотных сигналах на электронных чипах.

Как сообщает команда Nature Electronics , висмут сочетает в себе несколько полезных свойств, не обнаруженных на сегодняшний день в других системах. В частности, квантовый эффект наблюдается при комнатной температуре. Тонкослойные пленки можно наносить даже на пластиковые подложки и, следовательно, они могут быть пригодны для применения в современных высокочастотных технологиях.

«Когда мы подаем ток к определенным материалам, они могут генерировать напряжение, перпендикулярное ему. Мы, физики, называем это явление эффектом Холла, который на самом деле является объединяющим термином для эффектов с одинаковым воздействием, но которые различаются механизмами, лежащими в основе. Как правило, регистрируемое напряжение Холла линейно зависит от приложенного тока», — говорит доктор Денис Макаров из Института физики ионных пучков и исследований материалов HZDR.

Большинство этих эффектов являются результатом влияния магнитных полей или магнетизма в материале. Однако в 2015 году ученые обнаружили, что эффект Холла может возникать и без влияния магнетизма.

«Мы достигаем этого с помощью материалов, кристаллическая структура которых позволяет создавать напряжения Холла, которые больше не связаны линейно с током», — добавляет профессор Кармин Ортикс с физического факультета Университета Салерно. Этот эффект представляет большой интерес, поскольку делает возможным создание новых типов компонентов для быстродействующей электроники.

Два исследователя объединили усилия в поисках подходящих материалов и возможных практических применений так называемого нелинейного эффекта Холла. Хотя Ортикс является физиком-теоретиком , Макаров привносит в работу экспериментальные ноу-хау и связи с другими институтами HZDR, которые активно участвуют в работе, используя свой опыт.

«Мы собрались с коллегами из Центра источников мощных излучений ЭЛБЕ, Лаборатории сильных магнитных полей и Института экологии ресурсов. Общая цель: определить подходящий материал, с помощью которого этот квантовый эффект может контролируемым образом проявляться в комнатной температуре, а также прост в обращении и нетоксичен», — говорит Макаров, описывая отправную точку совместной работы.

Знакомый материал, новые свойства

В лице элементарного материала висмута команда нашла кандидата, проявляющего эти свойства. Висмут известен своим сильным классическим эффектом Холла, который присутствует в основной массе материала. Исследователи обнаружили, что на поверхностях квантовые эффекты доминируют и управляют потоком тока даже при комнатной температуре.

Основным преимуществом этого подхода является то, что исследователи могут наносить свои тонкие пленки с квантовыми свойствами на различные подложки для электроники, такие как кремниевые пластины и даже пластик. Команда достигает контроля над эффектом с помощью сложной микротехнологии: они могут напрямую влиять на токи через геометрию каналов на чипе.

Новые квантовые материалы, имеющие технологическое значение

Другие команды уже создали ряд материалов, демонстрирующих нелинейный эффект Холла, но они не сочетают в себе все желаемые свойства. Графен, например, экологически безопасен, и его нелинейным эффектом Холла можно хорошо управлять, но только при температуре ниже –70 градусов Цельсия. Это означает, что если исследователи захотят использовать этот эффект, им придется охладить его жидким азотом. Для других соединений им пришлось бы использовать еще более низкие температуры.

В настоящее время исследования сосредоточены на поиске подходящих материалов, но ученые уже думают о будущем. «Мы видим технологический потенциал прежде всего в преобразовании электромагнитных волн терагерцового диапазона в постоянный ток с использованием наших тонкопленочных материалов. Это сделает возможным создание новых компонентов для высокочастотной связи», — говорит Ортикс.

Чтобы гарантировать значительно более высокие скорости передачи данных, будущим системам беспроводной связи придется расширить несущую частоту за пределы 100 гигагерц до терагерцового диапазона, который недостижим для современных технологий.