Международная команда специалистов под руководством профессора Дунчэня Ци из Квинслендского технологического университета в Австралии и профессора Сяо Реншоу Вана из Наньянского технологического университета в Сингапуре изучила физику нелинейного эффекта Холла — квантового феномена с огромным потенциалом для технологий сбора энергии.
В классическом эффекте Холла поперечное напряжение возникает в проводнике с током в магнитном поле. Нелинейный эффект Холла ведет себя иначе: он позволяет генерировать постоянное напряжение поперек проводника при подаче переменного тока и при этом не требует магнитного поля. Иначе говоря, материал сам «выпрямляет» переменный сигнал в постоянный. Это означает, что энергию радиосигналов, беспроводных передач или других фоновых источников в пригодное для питания электроники постоянное напряжение — без обычных диодов и громоздких выпрямителей.
«Нелинейный эффект Холла — это сложное квантовое явление в физике конденсированного состояния, при котором напряжение генерируется перпендикулярно приложенному переменному току даже в отсутствие магнитного поля, — объясняет профессор Ци. — Этот эффект позволяет нам преобразовывать переменные сигналы непосредственно в постоянный ток, который необходим для питания электронных устройств. В принципе, это значит, что мы сможем создавать датчики или чипы, которые могли бы работать без батарей, получая энергию из окружающей среды».
Чтобы понять физику процесса, ученые исследовали высококачественный топологический материал — особый класс веществ с необычным электронным поведением. Эксперименты показали, что нелинейный эффект Холла сохраняется и остается стабильным при комнатной температуре, что критично для практического использования за пределами лаборатории.
Специалисты также выяснили, что температура управляет как силой, так и направлением возникающего напряжения. При низких температурах главный вклад в эффект вносили микроскопические дефекты кристалла: они мешают движению электронов, создавая асимметрию, необходимую для появления поперечного напряжения. По мере нагрева на первый план выходили уже не дефекты, а колебания атомов в решетке — тепловые вибрации, которые тоже нарушают симметрию, но по‑другому.
При переходе от одного режима к другому направление создаваемого электрического сигнала менялось на противоположное. Это указывает на новый, ранее не описанный механизм управления квантовым эффектом — фактически, переключение «полярности» за счет температуры и внутреннего устройства материала.
«Когда вы понимаете, что происходит внутри материала, вы можете проектировать устройства, чтобы этим воспользоваться», говорит Ци. Именно в этот момент абстрактные квантовые эффекты получают практическое применение: от самоходных датчиков и носимой электроники до сверхбыстрых компонентов для будущих беспроводных сетей.
Результаты работы позволили узнать больше о поведении квантовых материалов и могут стать основой для создания более компактных, быстрых и энергоэффективных устройств, которые будут частично или полностью питаться от энергии, уже присутствующей вокруг нас.
Ранее инженеры создали революционный чип для квантовых вычислений.