研究人员将纹理化的铂纳米颗粒（由红色三角形表示）沉积在硅半导体上（由蓝色矩形表示）。由白色圆圈和箭头表示的电子从纳米粒子中不对称地散射，从而产生一个电压，由黄色箭头表示，该电压垂直于施加到半导体上的电流，由黑色箭头表示。电压和电流之间的关系可以用数学方式描述，并绘制在图像右侧。电压始终与电流的平方成正比。图片来源：毛实验室/宾夕法尼亚州立大学

宾夕法尼亚州立大学和麻省理工学院 （MIT） 的研究人员共同领导的一个团队表示，一种被称为霍尔效应的古老物理现象揭示了一些新技巧。他们报告了他们的发现，他们表示，这些发现对理解量子材料的基本物理学和开发应用技术（如量子通信和通过射频收集能量）具有潜在影响 自然材料.

传统的霍尔效应仅发生在存在磁场的电导体或半导体中。它的特点是新形成的电压，称为霍尔电压，可以垂直于电流进行测量，并与施加的电流成正比。

然而，新发现的非互易霍尔效应不需要磁场。由宾夕法尼亚州立大学物理学教授、材料科学与工程教授和化学教授 Zhiqiang 毛 和麻省理工学院物理学教授 Liang Fu 领导的团队发现，这种效应由霍尔电压和施加电流之间的关系表示，可以用数学方式描述：霍尔电压总是与电流的平方成正比。该团队在由沉积在硅上的纹理铂纳米颗粒组成的微观结构中发现了这一发现。

与由磁场感应的力驱动的传统霍尔效应不同，非互易霍尔效应是由流动的传导电子（携带电荷的粒子）与纹理铂纳米粒子相互作用产生的。

“在这项工作中，我们报告了对室温巨大非互易霍尔效应的首次观测，”毛说，并解释说纹理铂纳米粒子的明显几何不对称散射使观察成为可能。“我们还展示了这种效应在宽带频率混频和无线微波检测方面的潜在应用。这凸显了利用非互易霍尔器件进行太赫兹通信、成像和能量收集的巨大潜力。

这项工作取决于了解电子在与材料中的非对称粒子相互作用时如何不对称地散射。这个过程违反了欧姆定律，这是物理学家 Georg Ohm 在 1827 年描述的基本原则，该定律指出通过导体的电流与施加的电压成正比。根据该定律，在没有磁场的情况下，霍尔电压应为零。然而，毛说，在零磁场下，在纹理铂纳米颗粒中与电流呈二次方缩放的非互易霍尔电压挑战了这一原理。

根据毛的说法，这一发现更加有趣，因为通常，对这些行为的研究需要低于280华氏度的低温。然而，在这项研究中，即使在室温下，沉积铂纳米颗粒的不对称结构似乎也会产生非互易霍尔效应。这项工作可能在量子整流或将交流电转换为直流电等技术中具有潜在应用;和光探测，这涉及从光中产生电信号，毛说。

“这一突破加深了我们对材料中电荷传输的理解，”毛说，并强调纹理铂纳米颗粒中存在非互易霍尔效应的关键是不对称电子散射。“这种不对称性揭示了原本统一的景观中的不均匀特征，正是在这些领域，我们最有可能发现新的见解。”

更多信息：Lujin Min 等人，巨大的室温非互易霍尔效应，Nature Materials （2024）。DOI： 10.1038/s41563-024-02015-7

期刊信息： Nature Materials