量子薄膜为高速太赫兹电子学铺平道路

来自德累斯顿-罗斯多夫亥姆霍兹中心（HZDR）和意大利萨勒诺大学的研究小组发现，元素铋薄膜表现出所谓的非线性霍尔效应，该效应可用于在电子芯片上控制使用太赫兹高频信号的技术。正如该团队在《自然电子》杂志上报道的那样，铋结合了迄今为止其他系统中没有的几个有利特性。特别是：在室温下观察到量子效应。薄层薄膜甚至可以应用于塑料基板，因此适用于现代高频技术应用。

赫尔辛基大学赫尔辛基粒子研究所离子束物理与材料研究所的Denys Makarov博士说：“当我们对某些材料施加电流时，它们可以产生垂直于它的电压。我们物理学家将这种现象称为霍尔效应，它实际上是具有相同影响但电子水平基础机制不同的效应的统称。通常，霍尔电压与施加的电流呈线性关系。”

铋薄膜中的非线性霍尔效应可以通过微加工弧形通道的几何形状来控制。

这些效应大多是由材料中的磁场或磁性影响造成的。然而，2015年，科学家发现霍尔效应在没有磁性影响的情况下也会发生。“我们用晶体排列使得霍尔电压不再与电流呈线性关系的材料实现了这一点，”萨勒诺大学物理系的卡米恩·奥尔蒂克斯教授补充道。这种效应引起了极大的兴趣，因为它为高速电子设备提供了新型组件。

两位研究人员联手寻找合适的材料，以及这种所谓的非线性霍尔效应的可能实际应用。奥尔蒂克斯是一名理论物理学家，马卡罗夫带来了实验技术，以及与赫兹鲁兹研究所其他研究所的联系，这些研究所都以其专业知识积极参与这项工作。“我们与埃尔布高功率辐射源中心、高磁场实验室和资源生态研究所的同事们一起合作。共同目标：找到一种合适的材料，这种材料可以在室温下以可控的方式显现出这种量子效应，而且易于处理且无毒，”马卡罗夫在描述联合工作的起点时说。

熟悉的材料，新的特性

在元素材料铋中，该团队发现了一种具有这些特性的候选材料。铋以其强烈的经典霍尔效应而闻名，这种效应存在于大部分材料中。研究人员发现，在表面，量子效应占主导地位，即使在室温下也能控制电流。

该方法的一个主要优点是，研究人员可以将具有量子特性的薄膜应用于各种电子基板，如硅片甚至塑料。该团队通过复杂的微加工实现了对效应的控制：他们可以通过芯片上的通道几何形状直接影响电流。

具有技术相关性的新型量子材料

其他团队已经创造了许多表现出非线性霍尔效应的材料，但他们并没有结合所有理想的特性。例如，石墨烯对环境安全，其非线性霍尔效应可以很好地控制，但只能在约-70摄氏度以下的温度下。这意味着如果研究人员想要使用这种效应，他们必须用液氮冷却。对于其他化合物，他们必须使用更低的温度。

目前，研究集中在寻找合适的材料上，但科学家们已经提前思考。Ortix说：“我们首先看到的是使用我们的薄膜材料将太赫兹电磁波转化为直流电的技术潜力。这将使高频通信的新组件成为可能”。为了确保更高的数据传输速率，未来的无线通信系统必须将载波频率扩展到100千兆赫以上，进入太赫兹范围，这是目前技术无法实现的。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41928-024-01118-y