Nichtlinearer Hall-Effekt in Bismutfilmen: Potenzial für Terahertz-Technologie

Der nichtlineare Hall-Effekt, der bei dünnen Bismutfilmen entdeckt wurde, könnte eine bedeutende Rolle in der Technologie spielen, die Terahertz-Hochfrequenzsignale auf elektronischen Chips kontrolliert nutzen möchte. Das berichtet ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Universität Salerno in Italien in der Fachzeitschrift Nature Electronics.

Bismut bietet eine Vielzahl vorteilhafter Eigenschaften, die in anderen Systemen bisher nicht beobachtet wurden. Der Quanteneffekt kann sogar bei normaler Raumtemperatur beobachtet werden. Darüber hinaus können die dünnen Bismutfilme auch auf Kunststoffsubstrate aufgetragen werden, was sie zu einer möglichen Option für moderne Hochfrequenztechnikanwendungen macht.

Der Hall-Effekt bezieht sich auf eine Sammlung von Effekten, bei denen durch das Durchleiten eines Stroms durch bestimmte Materialien eine Spannung erzeugt wird, die senkrecht zum Stromfluss verläuft. Normalerweise ist die registrierte Hall-Spannung linear von der angelegten Stromstärke abhängig. Die meisten Hall-Effekte werden durch Magnetfelder oder den Magnetismus des Materials verursacht. Jedoch wurde bereits im Jahr 2015 festgestellt, dass der Hall-Effekt auch ohne magnetischen Einfluss auftreten kann. Dies wird durch Materialien ermöglicht, deren kristalline Struktur Hall-Spannungen erzeugt, die nicht mehr linear mit dem Strom zusammenhängen.

Der nichtlineare Hall-Effekt erregt großes Interesse, da er das Potenzial hat, neue Bauteile für die Hochgeschwindigkeitselektronik zu ermöglichen. Die Forscher haben daher nach passenden Materialien und potenziellen praktischen Anwendungen gesucht. Dabei haben sie herausgefunden, dass Bismut ein vielversprechender Kandidat ist, der die gewünschten Eigenschaften aufweist. An der Oberfläche des Elements dominieren Quanteneffekte die Stromflussbestimmung, sogar bei Raumtemperatur.

Ein bedeutender Vorteil dieser Eigenschaften ist, dass die dünnen Bismutfilme mit quantenmechanischen Eigenschaften auf verschiedene Substrate wie Siliziumwafer und sogar Kunststoff aufgebracht werden können, die für elektronische Anwendungen geeignet sind. Die Kontrolle des Quanteneffekts erfolgt durch eine raffinierte Mikrofabrikationstechnik, bei der die Ströme direkt durch die Geometrie der Kanäle auf dem Chip beeinflusst werden.

Bisher wurden bereits verschiedene Materialien entwickelt, die den nichtlinearen Hall-Effekt zeigen, jedoch vereinen diese nicht alle gewünschten Eigenschaften in sich. Zum Beispiel zeigt Graphen den nichtlinearen Hall-Effekt, ist umweltverträglich und gut kontrollierbar. Jedoch tritt dieser Effekt nur bei sehr niedrigen Temperaturen auf und erfordert daher eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff.

Das Forschungsteam aus Rossendorf und Salerno konzentriert sich derzeit auf die Suche nach geeigneten Materialien, denkt aber bereits über weitere Anwendungen nach. Die Dünnschichtmaterialien haben vor allem ein technologisches Potenzial in der Umwandlung von elektromagnetischen Terahertz-Wellen in Gleichstrom, was neue Komponenten in der Hochfrequenz-Kommunikation ermöglichen könnte.

Schlagwörter: HZDR + Denys Makarov + Salerno

Wie bewerten Sie den Schreibstil des Artikels?