Uma equipe de pesquisa do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e da Universidade de Salerno, na Itália, descobriu que filmes finos de bismuto elementar exibem o chamado efeito Hall não linear, que poderia ser aplicado em tecnologias para o uso controlado. de sinais de alta frequência terahertz em chips eletrônicos.



O bismuto combina diversas propriedades vantajosas não encontradas em outros sistemas até o momento, como relata a equipe na Nature Electronics . Em particular, o efeito quântico é observado à temperatura ambiente. Os filmes de camada fina podem ser aplicados até mesmo em substratos plásticos e, portanto, podem ser adequados para aplicações modernas de tecnologia de alta frequência.

“Quando aplicamos uma corrente a certos materiais, eles podem gerar uma tensão perpendicular a ela. Nós, físicos, chamamos esse fenômeno de efeito Hall, que na verdade é um termo unificador para efeitos com o mesmo impacto, mas que diferem nos mecanismos subjacentes no nível de elétrons. Normalmente, a tensão Hall registrada depende linearmente da corrente aplicada, "diz o Dr. Denys Makarov do Instituto de Física de Feixes de Íons e Pesquisa de Materiais da HZDR.

A maioria desses efeitos é resultado da influência de campos magnéticos ou magnetismo no material. No entanto, em 2015, os cientistas descobriram que o efeito Hall também pode ocorrer sem a influência do magnetismo.

“Conseguimos isso com materiais cujo arranjo cristalino permite tensões Hall que não estão mais linearmente relacionadas à corrente”, acrescenta o Prof. Carmine Ortix, do Departamento de Física da Universidade de Salerno. Este efeito é de grande interesse porque possibilita novos tipos de componentes para eletrônica de alta velocidade.

Os dois pesquisadores uniram forças na busca por materiais adequados e possíveis aplicações práticas desse chamado efeito Hall não linear. Embora Ortix seja um físico teórico, Makarov traz o know-how experimental – e a conexão com outros institutos do HZDR, que estão significativamente envolvidos no trabalho com sua experiência.

"Reunimo-nos com colegas do Centro ELBE para Fontes de Radiação de Alta Potência, do Laboratório de Alto Campo Magnético e do Instituto de Ecologia de Recursos. O objetivo comum:identificar um material adequado com o qual este efeito quântico possa aparecer de forma controlada na sala temperatura e que também é fácil de manusear e não tóxico", diz Makarov, descrevendo o ponto de partida do trabalho conjunto.

Material familiar, novas propriedades

No material elementar bismuto, a equipe encontrou um candidato que apresenta essas propriedades. O bismuto é conhecido por seu forte efeito Hall clássico, que está presente na maior parte do material. Os pesquisadores descobriram que, em vez disso, nas superfícies, os efeitos quânticos dominam e governam o fluxo de corrente mesmo à temperatura ambiente.

Uma grande vantagem da abordagem é que os pesquisadores podem aplicar seus filmes finos com propriedades quânticas a uma variedade de substratos para eletrônicos, como pastilhas de silício e até mesmo plástico. A equipe consegue o controle do efeito por meio de microfabricação sofisticada:eles podem influenciar diretamente as correntes por meio da geometria dos canais no chip.

Novos materiais quânticos com relevância tecnológica

Outras equipes já haviam criado uma série de materiais que apresentam o efeito Hall não linear, mas não combinam todas as propriedades desejáveis. O grafeno, por exemplo, é ambientalmente seguro e o seu efeito Hall não linear pode ser bem controlado, mas apenas a temperaturas abaixo de –70 graus Celsius. Isso significa que se os pesquisadores quiserem usar o efeito, terão que resfriá-lo com nitrogênio líquido. Para outros compostos, teriam que usar temperaturas ainda mais baixas.

A investigação está actualmente focada em encontrar materiais adequados, mas os cientistas já estão a pensar no futuro. “Vemos potencial tecnológico acima de tudo na conversão de ondas eletromagnéticas terahertz em corrente contínua usando nossos materiais de película fina. Isso tornará possíveis novos componentes para comunicação de alta frequência”, diz Ortix.

Para garantir taxas de transmissão de dados significativamente mais elevadas, os futuros sistemas de comunicação sem fios terão de alargar a frequência portadora para além dos 100 gigahertz, para a faixa dos terahertz, que está fora do alcance das tecnologias actuais.

Mais informações: Pavlo Makushko et al, Um efeito Hall não linear ajustável à temperatura ambiente em filmes finos de bismuto elementar, Nature Electronics (2024). DOI:10.1038/s41928-024-01118-y
Informações do diário: Eletrônica da Natureza

Fornecido pela Associação Helmholtz de Centros de Pesquisa Alemães