اپتیک و کوانتوم

همانطور که تیم آنها در Nature Electronics گزارش می‌دهد، بیسموت چندین ویژگی سودمند را که تا به امروز در سیستم‌های دیگر یافت نشده است، ترکیب می‌کند و به طور خاص، اثر کوانتومی در دمای اتاق مشاهده می‌شود. لایه‌های نازک را می‌توان حتی بر روی بسترهای پلاستیکی اعمال کرد و بنابراین می‌تواند برای کاربردهای مدرن فناوری فرکانس بالا مناسب باشد. هنگامی‌که ما جریانی را به مواد خاصی اعمال می‌کنیم، آنها می‌توانند ولتاژی عمود بر آن ایجاد کنند. ما فیزیکدانان این پدیده را اثر هال می‌نامیم. به طور معمول، ولتاژ هال ثبت‌شده به طور خطی به جریان اعمال شده وابسته است. بیشتر این اثرات ناشی از تأثیر میدان‌های مغناطیسی یا مغناطش در ماده است. با این حال، در سال 2015، دانشمندان کشف کردند که اثر هال می‌تواند بدون تأثیر مغناطیس نیز رخ دهد.

پروفسور Carmine Ortix از دپارتمان فیزیک دانشگاه سالرنو می‌گوید: «ما به موادی که آرایش کریستالی آن‌ها ولتاژهای هال را قادر می‌سازد که دیگر به طور خطی با جریان مرتبط نباشند، دست پیدا کردیم. این اثر بسیار جالب است زیرا انواع جدیدی از قطعات را برای الکترونیک پرسرعت ممکن می‌سازد. این دو محقق در جستجوی مواد مناسب و کاربردهای عملی احتمالی این به‌اصطلاح اثر غیر خطی هال به یکدیگر پیوسته‌اند. در حالی که اورتیکس یک فیزیکدان نظری است، ماکاروف دانش تجربی و ارتباط با سایر مؤسسات در HZDR را به ارمغان می‌آورد که به طور قابل توجهی با تخصص خود در کار مشارکت دارند. هدف مشترک آنها شناسایی ماده مناسبی بود که در آن اثر کوانتومی می‌تواند به شیوه‌ای کنترل‌شده در دمای اتاق ظاهر شود و همچنین کار با آن آسان و غیرسمی باشد.

مزیت اصلی این رویکرد این است که محققان می‌توانند لایه‌های نازک خود را با خواص کوانتومی روی انواع زیرلایه‌های الکترونیکی مانند ویفرهای سیلیکونی و حتی پلاستیک اعمال کنند. این تیم کنترل اثر را از طریق میکروساخت پیچیده به دست می‌آورد: آنها می‌توانند مستقیماً بر جریان‌ها از طریق هندسه کانال‌های روی تراشه تأثیر بگذارند.

تیم‌های دیگر قبلاً تعدادی مواد ایجاد کرده بودند که اثر غیر خطی هال را نشان می‌دهند، اما آنها همه ویژگی‌های مطلوب را با هم ترکیب نمی‌کنند. به عنوان مثال، گرافن از نظر محیط زیست ایمن است و اثر هال غیرخطی آن را می‌توان به خوبی کنترل کرد، اما فقط در دمای زیر 70- درجه سانتیگراد. این بدان معناست که اگر محققان بخواهند از این اثر استفاده کنند، باید آن را با نیتروژن مایع خنک کنند. برای سایر ترکیبات، آنها باید از دماهای پایین تر استفاده کنند.

تحقیقات در حال حاضر بر روی یافتن مواد مناسب متمرکز است، اما دانشمندان در حال حاضر به آینده فکر می‌کنند. Ortix  می‌گوید: «ما پتانسیل تکنولوژیکی را بیش از هر چیز در تبدیل امواج الکترومغناطیسی تراهرتز به جریان مستقیم با استفاده از مواد لایه نازک خود می‌بینیم. این امر اجزای جدیدی را برای ارتباطات با فرکانس بالا ممکن می‌کند». برای تضمین نرخ انتقال داده به میزان قابل توجهی، سیستم‌های ارتباطی بی سیم آینده باید فرکانس حامل را فراتر از 100 گیگاهرتز به محدوده تراهرتز گسترش دهند، که با فناوری‌های امروزی دور از دسترس است.

Pavlo Makushko et al, A tunable room-temperature nonlinear Hall effect in elemental bismuth thin films, Nature Electronics 2024