Un gruppo di ricerca dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e dell'Università di Salerno in Italia ha scoperto che film sottili di bismuto elementare presentano il cosiddetto effetto Hall non lineare, che potrebbe essere applicato in tecnologie per l'uso controllato di segnali ad alta frequenza terahertz su chip elettronici.
Il bismuto combina diverse proprietà vantaggiose non riscontrabili fino ad oggi in altri sistemi, come riportato dal team in Nature Electronics . In particolare, l'effetto quantistico si osserva a temperatura ambiente. Le pellicole a strato sottile possono essere applicate anche su substrati plastici e potrebbero quindi essere adatte per le moderne applicazioni tecnologiche ad alta frequenza.
"Quando applichiamo una corrente a determinati materiali, questi possono generare una tensione perpendicolare ad essa. Noi fisici chiamiamo questo fenomeno effetto Hall, che in realtà è un termine unificante per effetti con lo stesso impatto, ma che differiscono nei meccanismi sottostanti livello di elettroni In genere, la tensione di Hall registrata dipende linearmente dalla corrente applicata," afferma il dott. Denys Makarov dell'Istituto di fisica dei fasci ionici e ricerca sui materiali presso HZDR.
La maggior parte di questi effetti sono il risultato dell'influenza dei campi magnetici o del magnetismo nel materiale. Tuttavia, nel 2015, gli scienziati hanno scoperto che l'effetto Hall può verificarsi anche senza l'influenza del magnetismo.
"Raggiungiamo questo risultato con materiali la cui disposizione cristallina consente tensioni di Hall che non sono più correlate linearmente alla corrente", aggiunge il Prof. Carmine Ortix del Dipartimento di Fisica dell'Università di Salerno. Questo effetto è di grande interesse perché rende possibili nuovi tipi di componenti per l'elettronica ad alta velocità.
I due ricercatori hanno unito le forze nella ricerca di materiali idonei e di possibili applicazioni pratiche di questo cosiddetto effetto Hall non lineare. Mentre Ortix è un fisico teorico, Makarov apporta il know-how sperimentale e il collegamento con altri istituti dell'HZDR, che sono significativamente coinvolti nel lavoro con la loro esperienza.
"Ci siamo riuniti con i colleghi del Centro ELBE per le sorgenti di radiazioni ad alta potenza, del Laboratorio ad alto campo magnetico e dell'Istituto per l'ecologia delle risorse. L'obiettivo comune:identificare un materiale adatto con cui questo effetto quantistico possa apparire in modo controllato a livello ambiente temperatura e che è anche facile da maneggiare e non tossico," dice Makarov, descrivendo il punto di partenza del lavoro congiunto.
Nel bismuto, materiale elementare, il team ha trovato un candidato che presenta queste proprietà. Il bismuto è noto per il suo forte effetto Hall classico, presente nella maggior parte del materiale. I ricercatori hanno scoperto che sulle superfici invece gli effetti quantistici dominano e governano il flusso di corrente anche a temperatura ambiente.
Uno dei principali vantaggi di questo approccio è che i ricercatori possono applicare i loro film sottili con proprietà quantistiche a una varietà di substrati per l’elettronica come wafer di silicio e persino plastica. Il team ottiene il controllo dell'effetto attraverso una sofisticata microfabbricazione:possono influenzare direttamente le correnti attraverso la geometria dei canali sul chip.
Altri team avevano già creato una serie di materiali che presentano l’effetto Hall non lineare, ma non combinano tutte le proprietà desiderabili. Il grafene, ad esempio, è sicuro per l’ambiente e il suo effetto Hall non lineare può essere controllato bene, ma solo a temperature inferiori a –70 gradi Celsius. Ciò significa che se i ricercatori vogliono sfruttare l’effetto, devono raffreddarlo con azoto liquido. Per altri composti, dovrebbero utilizzare temperature ancora più basse.
La ricerca si sta attualmente concentrando sulla ricerca di materiali adatti, ma gli scienziati stanno già pensando al futuro. "Vediamo il potenziale tecnologico soprattutto nella conversione delle onde elettromagnetiche terahertz in corrente continua utilizzando i nostri materiali a film sottile. Ciò renderà possibili nuovi componenti per la comunicazione ad alta frequenza", afferma Ortix.
Per garantire velocità di trasmissione dati significativamente più elevate, i futuri sistemi di comunicazione wireless dovranno estendere la frequenza portante oltre i 100 gigahertz nella gamma dei terahertz, che è fuori portata con le tecnologie attuali.
Ulteriori informazioni: Pavlo Makushko et al, Un effetto Hall non lineare a temperatura ambiente regolabile in film sottili di bismuto elementare, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y
Informazioni sul giornale: Elettronica naturale
Fornito dall'Associazione Helmholtz dei centri di ricerca tedeschi
