Физики обнаружили новый подход к управлению необычным квантовым явлением, которое в будущем может способствовать питанию электронных устройств без батарей.
Международная команда исследователей 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 большим 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 не требует магнитного поля. Другими словами, материал сам «выпрямляет» переменный сигнал в постоянный. Это означает, что энергию радиосигналов, беспроводных передач или других фоновых источников можно преобразовать в пригодное для питания электроники постоянное напряжение — без традиционных диодов и громоздких выпрямителей.
«Нелинейный эффект Холла — это сложное квантовое явление в физике конденсированного состояния, при котором напряжение генерируется перпендикулярно приложенному переменному току даже без магнитного поля, — объясняет профессор Ци. — Этот эффект позволяет нам преобразовывать переменные сигналы непосредственно в постоянный ток, необходимый для питания электронных устройств. В принципе, это означает, что мы сможем создавать датчики или чипы, которые могут работать без батарей, получая энергию из окружающей среды».
Чтобы глубже 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 применения за пределами лаборатории.
Исследователи также установили, что температура влияет как на силу, так и на направление создаваемого напряжения. При низких температурах основное воздействие на эффект оказывали микроскопические дефекты кристалла: они затрудняли движение электронов, создавая асимметрию, необходимую для возникновения поперечного напряжения. С увеличением температуры на первый план выходили не дефекты, а колебания атомов в решетке — тепловые вибрации, которые также нарушают симметрию, но другим способом.
При переходе от одного режима к другому направление создаваемого электрического сигнала изменялось на противоположное. Это свидетельствует о новом, ранее не описанном механизме 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 использовать это», — отмечает Ци. В этот момент абстрактные квантовые эффекты начинают находить практическое применение: от автономных датчиков и носимой электроники до сверхбыстрых компонентов для будущих беспроводных сетей.
Результаты исследования позволили глубже понять поведение квантовых материалов и могут стать основой для разработки более компактных, быстрых и энергоэффективных устройств, которые будут частично или полностью питаться от энергии, уже присутствующей вокруг нас.
Фото: hi-tech.mail.ru