后5G时代？量子材料新特性，引领室温下的太赫兹高频通信

光子盒研究院

自5G技术问世以来，工程师们一直致力于进一步提升无线通信技术。为了增加这些系统的数据传输速度，关键在于将载波频率提升至100GHz以上，进入太赫兹频段。

然而，目前的设备和技术难以达到如此高的载波频率。面对这一挑战，一种提出的解决思路是利用具有非线性霍尔效应的量子材料。

最近，亥姆霍兹研究中心（HZDR）和意大利萨勒诺大学的研究小组在这方面取得了突破。他们发现，元素铋制成的薄膜展现了非线性霍尔效应。这种效应可被用于电子芯片上，以控制太赫兹高频信号，为无线通信技术的进步提供了新的可能性。

非线性霍尔效应在铋材料中的表现尤为突出。铋因其显著的自旋轨道耦合和强大的传统霍尔效应而闻名，这些特性使其成为拓扑材料的重要组成部分。然而，铋的反转对称性原本限制了其在展现二阶非线性霍尔效应方面的能力。

在《自然·电子学》（Nature Electronics）杂志上发布的这项研究报告指出，铋薄膜结合了之前在其他系统中未见的几种优势特性。其中最引人注目的是，这种量子效应可以在室温下观察到，使其非常适合现代高频技术应用。此外，铋薄膜甚至可以应用于塑料基板上，进一步拓宽了其应用范围。这一发现为无线通信领域带来了新的机遇，特别是在开发能够处理太赫兹频率信号的先进技术方面。

多晶铋薄膜的量子特性和表面状态

在铋薄膜上观察到的非线性霍尔效应。a）铋表面的手性布洛赫电子发生偏转，就像马格努斯效应一样，形成了铋中非线性霍尔效应的基础。b）可以通过将铋制成弧形图案来增强非线性响应，使用弧形阵列可以观察到太赫兹二次谐波生成或频率倍增

铋薄膜中的磁输运和非线性霍尔效应

非线性霍尔效应的研究已成为现代电子学领域的一大焦点，尤其是在追求高性能无线通信技术的探索中。尽管研究团队已经发现了多种展示此效应的材料，但它们往往在实际应用中存在局限。

例如，石墨烯虽然环保且其非线性霍尔效应可被有效控制，但其仅在极低温度（低于零下70摄氏度）下有效，需要借助液氮冷却，这对实际应用构成了挑战。对于其他化合物，运行所需的温度更低，进一步限制了它们的应用潜力。

然而，铋的多晶薄膜在室温下展示出非线性霍尔效应，为拓扑量子效应设备的实际应用开辟了新的可能性。这一发现不仅扩展了材料科学的知识边界，强调了一种可持续、可扩展且环保的材料的存在，也为未来的高频通信技术提供了新的研究方向。

目前，科学家们正专注于寻找适合的材料来推动这一领域的发展。萨勒诺大学大学物理系的Carmine Ortix教授提到：“我们认为，利用我们的薄膜材料将太赫兹电磁波转换为直流电具有巨大的技术潜力。这将为新一代的高频通信元件铺平道路。” 铋薄膜在未来电子产品中的应用潜力是一个引人注目且值得深入探索的研究主题。

随着电子学领域不断发展，这项研究的影响可能是革命性的，有望重新定义高频技术应用的范畴。这不仅是一场科技的飞跃，也是对现有电子学理念的一次重大挑战。

参考链接：

[1]https://phys.org/news/2024-02-tunable-room-temperature-nonlinear-hall.html#google_vignette

[2]https://techxplore.com/news/2024-02-room-temperature-nonlinear-hall-effect.html

[3]https://bnnbreaking.com/world/germany/revolutionary-bismuth-thin-films-unveil-room-temperature-non-linear-hall-effect-for-high-frequency-tech