Een onderzoeksteam van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Universiteit van Salerno in Italië heeft ontdekt dat dunne films van elementair bismut het zogenaamde niet-lineaire Hall-effect vertonen, dat zou kunnen worden toegepast in technologieën voor gecontroleerd gebruik van terahertz hoogfrequente signalen op elektronische chips.

Bismuth combineert verschillende voordelige eigenschappen die tot nu toe niet in andere systemen zijn gevonden, zoals het team rapporteert in Nature Electronics . In het bijzonder wordt het kwantumeffect waargenomen bij kamertemperatuur. De dunnelaagfilms kunnen zelfs op kunststofsubstraten worden aangebracht en kunnen daarom geschikt zijn voor moderne hoogfrequente technologietoepassingen.

‘Als we een stroom op bepaalde materialen zetten, kunnen ze een spanning opwekken die er loodrecht op staat. Wij natuurkundigen noemen dit fenomeen het Hall-effect, wat eigenlijk een verenigende term is voor effecten met dezelfde impact, maar die verschillen in de onderliggende mechanismen aan de elektronenniveau. Normaal gesproken is de geregistreerde Hall-spanning lineair afhankelijk van de aangelegde stroom", zegt Dr. Denys Makarov van het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research bij HZDR.

De meeste van deze effecten zijn het gevolg van de invloed van magnetische velden of magnetisme in het materiaal. In 2015 ontdekten wetenschappers echter dat het Hall-effect ook kan optreden zonder de invloed van magnetisme.

"We bereiken dit met materialen waarvan de kristallijne opstelling Hall-spanningen mogelijk maakt die niet langer lineair gerelateerd zijn aan de stroom", voegt prof. Carmine Ortix van de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Salerno toe. Dit effect is van groot belang omdat het nieuwe typen componenten voor hogesnelheidselektronica mogelijk maakt.

De twee onderzoekers hebben hun krachten gebundeld in de zoektocht naar geschikte materialen en mogelijke praktische toepassingen van dit zogenaamde niet-lineaire Hall-effect. Hoewel Ortix een theoretisch natuurkundige is, brengt Makarov de experimentele kennis in – en de verbinding met andere instituten van de HZDR, die met hun expertise aanzienlijk bij het werk betrokken zijn.

“We kwamen samen met collega’s van het ELBE Center for High Power Radiation Sources, het High Magnetic Field Laboratory en het Institute for Resource Ecology. Het gemeenschappelijke doel:een geschikt materiaal identificeren waarmee dit kwantumeffect op een gecontroleerde manier in de ruimte kan optreden temperatuur en die bovendien gemakkelijk te hanteren en niet giftig is", zegt Makarov, die het uitgangspunt van het gezamenlijke werk beschrijft.

Bekend materiaal, nieuwe eigenschappen

In het elementaire materiaal bismut heeft het team een ​​kandidaat gevonden die deze eigenschappen vertoont. Bismut staat bekend om zijn sterke klassieke Hall-effect dat in het grootste deel van het materiaal aanwezig is. De onderzoekers ontdekten dat kwantumeffecten op oppervlakken de stroom zelfs bij kamertemperatuur domineren en beheersen.

Een groot voordeel van de aanpak is dat de onderzoekers hun dunne films met kwantumeigenschappen kunnen toepassen op allerlei substraten voor elektronica, zoals siliciumwafels en zelfs plastic. Het team bereikt de controle over het effect door middel van geavanceerde microfabricage:ze kunnen de stromen rechtstreeks beïnvloeden via de geometrie van de kanalen op de chip.

Nieuwe kwantummaterialen met technologische relevantie

Andere teams hadden al een aantal materialen gemaakt die het niet-lineaire Hall-effect vertonen, maar die niet alle gewenste eigenschappen combineren. Grafeen is bijvoorbeeld veilig voor het milieu en het niet-lineaire Hall-effect is goed onder controle te houden, maar alleen bij temperaturen onder de –70 graden Celsius. Dit betekent dat als de onderzoekers het effect willen gebruiken, ze het moeten afkoelen met vloeibare stikstof. Voor andere verbindingen zouden ze zelfs lagere temperaturen moeten gebruiken.

Het onderzoek richt zich momenteel op het vinden van geschikte materialen, maar de wetenschappers denken al vooruit. "We zien technologisch potentieel vooral in de omzetting van terahertz-elektromagnetische golven in gelijkstroom met behulp van onze dunnefilmmaterialen. Dit zal nieuwe componenten voor hoogfrequente communicatie mogelijk maken", zegt Ortix.

Om aanzienlijk hogere datatransmissiesnelheden te garanderen, zullen toekomstige draadloze communicatiesystemen de draaggolffrequentie moeten uitbreiden tot voorbij 100 gigahertz tot in het terahertz-bereik, wat buiten bereik is met de huidige technologieën.

Meer informatie: Pavlo Makushko et al, Een instelbaar niet-lineair Hall-effect op kamertemperatuur in dunne films van elementair bismut, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y

Journaalinformatie: Natuurelektronica

Aangeboden door Helmholtz Vereniging van Duitse Onderzoekscentra