Un equipo de investigación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y la Universidad de Salerno en Italia ha descubierto que las películas delgadas de bismuto elemental exhiben el llamado efecto Hall no lineal, que podría aplicarse en tecnologías de uso controlado. de señales de alta frecuencia de terahercios en chips electrónicos.
El bismuto combina varias propiedades ventajosas que no se encuentran en otros sistemas hasta la fecha, como informa el equipo en Nature Electronics. . En particular, el efecto cuántico se observa a temperatura ambiente. Las películas de capa fina se pueden aplicar incluso sobre sustratos plásticos y, por lo tanto, podrían ser adecuadas para aplicaciones modernas de tecnología de alta frecuencia.
"Cuando aplicamos una corriente a ciertos materiales, estos pueden generar un voltaje perpendicular a él. Nosotros, los físicos, llamamos a este fenómeno efecto Hall, que en realidad es un término unificador para efectos con el mismo impacto, pero que difieren en los mecanismos subyacentes en el Normalmente, el voltaje Hall registrado depende linealmente de la corriente aplicada", afirma el Dr. Denys Makarov del Instituto de Física de Rayos de Iones y de Investigación de Materiales de HZDR.
La mayoría de estos efectos son el resultado de la influencia de campos magnéticos o magnetismo en el material. Sin embargo, en 2015, los científicos descubrieron que el efecto Hall también puede ocurrir sin la influencia del magnetismo.
"Esto lo logramos con materiales cuya disposición cristalina permite tensiones Hall que ya no están relacionadas linealmente con la corriente", añade el profesor Carmine Ortix del Departamento de Física de la Universidad de Salerno. Este efecto es de gran interés porque posibilita nuevos tipos de componentes para la electrónica de alta velocidad.
Los dos investigadores han unido fuerzas en la búsqueda de materiales adecuados y posibles aplicaciones prácticas del llamado efecto Hall no lineal. Mientras Ortix es físico teórico, Makarov aporta sus conocimientos experimentales y la conexión con otros institutos del HZDR, que con su experiencia participan de manera importante en el trabajo.
"Nos reunimos con colegas del Centro ELBE para Fuentes de Radiación de Alta Potencia, el Laboratorio de Alto Campo Magnético y el Instituto de Ecología de Recursos. El objetivo común:identificar un material adecuado con el que este efecto cuántico pueda aparecer de forma controlada en la habitación. temperatura, fácil de manejar y no tóxico", describe Makarov el punto de partida del trabajo conjunto.
En el material elemental bismuto, el equipo ha encontrado un candidato que exhibe estas propiedades. El bismuto es conocido por su fuerte efecto Hall clásico que está presente en la mayor parte del material. Los investigadores descubrieron que, en cambio, en las superficies los efectos cuánticos dominan y gobiernan el flujo de corriente incluso a temperatura ambiente.
Una gran ventaja de este enfoque es que los investigadores pueden aplicar sus finas películas con propiedades cuánticas a una variedad de sustratos para electrónica, como obleas de silicio e incluso plástico. El equipo logra controlar el efecto mediante una sofisticada microfabricación:pueden influir directamente en las corrientes a través de la geometría de los canales del chip.
Otros equipos ya habían creado una serie de materiales que presentan el efecto Hall no lineal, pero no reúnen todas las propiedades deseadas. El grafeno, por ejemplo, es seguro para el medio ambiente y su efecto Hall no lineal se puede controlar bien, pero sólo a temperaturas inferiores a –70 grados centígrados. Esto significa que si los investigadores quieren aprovechar el efecto, tendrán que enfriarlo con nitrógeno líquido. Para otros compuestos, tendrían que utilizar temperaturas aún más bajas.
Actualmente, la investigación se centra en encontrar materiales adecuados, pero los científicos ya piensan en el futuro. "Vemos potencial tecnológico sobre todo en la conversión de ondas electromagnéticas de terahercios en corriente continua utilizando nuestros materiales de película delgada. Esto permitirá crear nuevos componentes para la comunicación de alta frecuencia", afirma Ortix.
Para garantizar velocidades de transmisión de datos significativamente más altas, los futuros sistemas de comunicación inalámbrica tendrán que ampliar la frecuencia portadora más allá de los 100 gigahercios hasta el rango de los terahercios, que está fuera del alcance de las tecnologías actuales.
Más información: Pavlo Makushko et al, Un efecto Hall no lineal ajustable a temperatura ambiente en películas delgadas de bismuto elemental, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
Proporcionado por la Asociación Helmholtz de Centros de Investigación Alemanes
