Die Forscher lagerten strukturierte Platin-Nanopartikel, dargestellt durch rote Dreiecke, auf einem Siliziumhalbleiter ab, dargestellt durch das blaue Rechteck. Die Elektronen, dargestellt durch die weißen Kreise und Pfeile, verteilen sich asymmetrisch von den Nanopartikeln und induzieren eine Spannung, dargestellt durch einen gelben Pfeil, senkrecht zum Strom, dargestellt durch den schwarzen Pfeil, der an den Halbleiter angelegt wird. Der Zusammenhang zwischen Spannung und Strom lässt sich mathematisch beschreiben und ist als solcher rechts im Bild dargestellt. Die Spannung ist immer proportional zum Quadrat des Stroms. Bildnachweis: Mao Lab/Penn State
Ein uraltes physikalisches Phänomen namens Hall-Effekt hat laut einem Team unter der gemeinsamen Leitung von Forschern der Penn State University und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) neue Tricks aufgedeckt. Sie berichteten über ihre Ergebnisse, von denen sie sagten, dass sie Auswirkungen auf das Verständnis der grundlegenden Physik von Quantenmaterialien und die Entwicklung angewandter Technologien wie Quantenkommunikation und Energiegewinnung über Radiofrequenzen haben könnten Natürliche Materialien.
Der herkömmliche Hall-Effekt tritt in elektrischen Leitern oder Halbleitern nur in Gegenwart eines Magnetfelds auf. Sie zeichnet sich durch eine neu gebildete Spannung, die sogenannte Hall-Spannung, aus, die senkrecht zum Strom gemessen werden kann und direkt proportional zum angelegten Strom ist.
Der kürzlich entdeckte nichtreziproke Hall-Effekt erfordert jedoch kein Magnetfeld. Dieser Effekt wurde von Teams unter der Leitung von Zhiqiang Mao, Professor für Physik, Materialwissenschaft und -technik sowie Chemie an der Penn State, und Liang Fu, Professor für Physik am MIT, entdeckt und wird stattdessen durch eine Beziehung zwischen der Hall-Spannung und dem angelegten Strom beschrieben . Dies lässt sich mathematisch beschreiben: Die Hall-Spannung ist immer proportional zum Quadrat des Stroms. Das Team machte diese Entdeckung in Mikrostrukturen, die aus texturierten Platin-Nanopartikeln bestanden, die auf Silizium abgeschieden waren.
Im Gegensatz zum herkömmlichen Hall-Effekt, der durch eine durch das Magnetfeld induzierte Kraft angetrieben wird, resultiert der nichtreziproke Hall-Effekt aus dem Fluss von Leitungselektronen (das sind Teilchen, die elektrische Ladung tragen), die mit den Nanopartikeln des texturierten Platins interagieren.
„In dieser Arbeit berichten wir über die erste Beobachtung eines kolossalen nichtreziproken Hall-Effekts bei Raumtemperatur“, sagte Mao und erklärte, dass ausgeprägte geometrisch asymmetrische Streuungen der texturierten Platin-Nanopartikel die Beobachtung ermöglichten. „Wir haben auch die potenzielle Anwendung dieses Effekts für die Breitband-Frequenzmischung und die drahtlose Mikrowellenerfassung vorgestellt. Dies unterstreicht das enorme Potenzial der Verwendung nichtreziproker Hall-Geräte für Terahertz-Kommunikation, Bildgebung und Energiegewinnung.“
Die Arbeit basiert auf dem Verständnis, wie Elektronen asymmetrisch streuen können, wenn sie mit unsymmetrischen Teilchen in einem Material interagieren. Dieser Prozess führt zu einem Verstoß gegen das Ohmsche Gesetz, ein grundlegendes Prinzip, das 1827 vom Physiker Georg Ohm beschrieben wurde und besagt, dass der durch einen Leiter fließende Strom proportional zur angelegten Spannung ist. Nach diesem Gesetz sollte die Hall-Spannung in Abwesenheit eines Magnetfelds Null sein. Mao sagte jedoch, dass eine nichtreziproke Hall-Spannung, die quadratisch mit dem Strom in texturierten Platin-Nanopartikeln bei einem Magnetfeld von Null skaliert, dieses Prinzip in Frage stellt.
Laut Mao ist die Entdeckung sogar noch interessanter, da Untersuchungen dieser Verhaltensweisen typischerweise niedrige Temperaturen unter 280 Grad Fahrenheit erfordern. Allerdings scheint in dieser Studie die asymmetrische Struktur der abgeschiedenen Platin-Nanopartikel selbst bei Raumtemperatur einen nichtreziproken Hall-Effekt zu erzeugen. Die Arbeit könnte potenzielle Anwendungen in Technologien wie der Quantengleichrichtung oder der Umwandlung von Wechselströmen in Gleichstrom haben; und Fotodetektion, bei der elektrische Signale aus Licht ausgesendet werden, erklärte Mao.
„Dieser Durchbruch vertieft unser Verständnis des Ladungstransports in Materialien“, sagte Mao und betonte, dass der Schlüssel zum Vorhandensein des nichtreziproken Hall-Effekts in texturierten Platin-Nanopartikeln die asymmetrische Elektronenstreuung sei. „Diese Asymmetrie offenbart Unebenheiten in einer ansonsten einheitlichen Landschaft, und in diesen Bereichen werden wir am wahrscheinlichsten neue Erkenntnisse gewinnen.“
Weitere Informationen:
Lujin Min et al, Kolossaler nichtreziproker Hall-Effekt bei Raumtemperatur, Natürliche Materialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-02015-7
Zur Verfügung gestellt von der Pennsylvania State University
Zitat: Nichtreziproker Hall-Effekt bei Raumtemperatur könnte zukünftige technologische Entwicklung anheizen (24. Oktober 2024), abgerufen am 24. Oktober 2024 von https://phys.org/news/2024-10-room-temperature-nonreciprocal-hall-effect.html
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