אפקט הול לא ליניארי בסרטי ביסמוט דקים יכול להיות נשלט על ידי הגיאומטריה של הערוצים בצורת קשת מיקרו. קרדיט: B. Schröder/ HZDR
צוות מחקר מ- הלמהולץ-מרכז דרזדן-רוסנדורף (HZDR) ואוניברסיטת סלרנו באיטליה גילו שסרטים דקים של ביסמוט יסודי מציגים את מה שנקרא אפקט הול הלא ליניארי, שניתן ליישם בטכנולוגיות לשימוש מבוקר של אותות תדר גבוה של טרה-הרץ על שבבים אלקטרוניים. ביסמוט משלב מספר מאפיינים מועילים שלא נמצאו במערכות אחרות עד כה, כפי שהצוות מדווח טבע אלקטרוניקה. במיוחד: האפקט הקוונטי נצפה בטמפרטורת החדר. ניתן ליישם את סרטי השכבה הדקה אפילו על מצעי פלסטיק ולכן יכולים להתאים ליישומי טכנולוגיה מודרנית בתדר גבוה.
"כאשר אנו מפעילים זרם על חומרים מסוימים, הם יכולים ליצור מתח בניצב אליו. אנו הפיזיקאים מכנים את התופעה הזו בשם אפקט הול, שהוא למעשה מונח מאחד לאפקטים בעלי אותה השפעה, אך שונים במנגנונים הבסיסיים ברמת האלקטרונים. בדרך כלל, מתח ההול שנרשם תלוי באופן ליניארי בזרם המופעל", אומר ד"ר Denys Makarov מהמכון לפיזיקה של אלומת יונים וחקר חומרים ב-HZDR.
רוב ההשפעות הללו הן תוצאה של השפעת שדות מגנטיים או מגנטיות בחומר. עם זאת, בשנת 2015, מדענים גילו שאפקט הול יכול להתרחש גם ללא השפעת מגנטיות. "אנחנו משיגים זאת עם חומרים שהסידור הגבישי שלהם מאפשר מתחי הול שאינם קשורים עוד באופן ליניארי לזרם", מוסיפה פרופ' קרמיין אורטיקס מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת סלרנו. אפקט זה מעורר עניין רב מכיוון שהוא מאפשר סוגים חדשים של רכיבים עבור אלקטרוניקה במהירות גבוהה.
שני החוקרים איחדו כוחות בחיפוש אחר חומרים מתאימים ויישומים מעשיים אפשריים של מה שנקרא אפקט הול הלא-ליניארי הזה. בעוד שאורטיקס הוא פיזיקאי תיאורטי, מקרוב מביא את הידע הניסיוני – ואת החיבור למכונים אחרים ב-HZDR, המעורבים באופן משמעותי בעבודה עם המומחיות שלהם. "התכנסנו עם עמיתים ממרכז ELBE למקורות קרינה בעוצמה גבוהה, מעבדת השדה המגנטי הגבוה והמכון לאקולוגיה של משאבים. המטרה המשותפת: לזהות חומר מתאים שאיתו יכולה להופיע האפקט הקוונטי הזה בצורה מבוקרת בטמפרטורת החדר ושהוא גם קל לטיפול ולא רעיל", אומר מקרוב ומתאר את נקודת ההתחלה של העבודה המשותפת.
חומר מוכר, מאפיינים חדשים
בחומר היסודי ביסמוט, הצוות מצא מועמד המציג את התכונות הללו. ביסמוט ידוע באפקט ההול הקלאסי החזק שלו אשר קיים בחלק הארי של החומר. החוקרים גילו שבמקום זאת על משטחים, השפעות קוונטיות שולטות ומנהלות את זרימת הזרם אפילו בטמפרטורת החדר.
יתרון מרכזי של הגישה הוא שהחוקרים יכולים ליישם את הסרטים הדקים שלהם עם תכונות קוונטיות על מגוון מצעים לאלקטרוניקה כמו פרוסות סיליקון ואפילו פלסטיק. הצוות משיג את השליטה באפקט באמצעות מיקרו-ייצור מתוחכם: הם יכולים להשפיע ישירות על הזרמים באמצעות הגיאומטריה של הערוצים בשבב.
חומרים קוונטיים חדשים עם רלוונטיות טכנולוגית
צוותים אחרים כבר יצרו מספר חומרים המציגים את אפקט הול הלא ליניארי, אך הם אינם משלבים את כל התכונות הרצויות. גרפן, למשל, בטוח לסביבה וניתן לשלוט היטב באפקט ההול הלא ליניארי שלו, אבל רק בטמפרטורות מתחת ל-70 מעלות צֶלסִיוּס. המשמעות היא שאם החוקרים רוצים להשתמש באפקט, עליהם לקרר אותו בחנקן נוזלי. עבור תרכובות אחרות, הם יצטרכו להשתמש בטמפרטורות נמוכות עוד יותר.
המחקר מתמקד כעת במציאת חומרים מתאימים, אך המדענים כבר חושבים קדימה. "אנו רואים פוטנציאל טכנולוגי בעיקר בהמרה של גלים אלקטרומגנטיים של טרה-הרץ לזרם ישר באמצעות חומרי הסרט הדק שלנו. זה יאפשר רכיבים חדשים לתקשורת בתדר גבוה", אומר Ortix. כדי להבטיח קצבי העברת נתונים גבוהים משמעותית, מערכות תקשורת אלחוטיות עתידיות יצטרכו להרחיב את תדר הספק מעבר ל-100 גיגה-הרץ לטווח הטרה-הרץ, שאינו בהישג יד עם הטכנולוגיות של ימינו.
