Исследователи наблюдали загадочный электрический эффект в ультратонком висмуте, который остается неизменным в широком диапазоне температур, от почти абсолютного нуля (-273°C) до комнатной температуры.

"Если мы сможем использовать это, это может стать важным для экологически чистой электроники", - сказал Гийом Жерве, профессор физики в McGill и соавтор исследования.

Это открытие может привести к разработке более эффективных, стабильных и экологически чистых электронных компонентов и устройств, в том числе для исследования космоса и медицинского применения. Висмут нетоксичен и биосовместим.

"Мы ожидали, что этот эффект исчезнет, как только мы повысим температуру, но он упорно отказывался; мы продолжали поддерживать комнатную температуру, и он все еще был там!" - сказал Жерве. "Я был настолько уверен, что это исчезнет, что даже поспорил со своими студентами Оулин Ю и Фредериком Буавеном на бутылку вина. Оказалось, что я был неправ".

Вдохновленный теркой для сыра

В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, сообщается о наблюдении не зависящего от температуры аномального эффекта Холла (AHE) в чешуйке висмута толщиной 68 нанометров. Этот эффект, который создает напряжение, перпендикулярное приложенному току, обычно связан с материалами, обладающими магнитными свойствами. Однако висмут является диамагнитным веществом, что означает, что обычно он не проявляет такого поведения.

Чтобы сделать это открытие, Жерве и его коллеги, включая ведущего автора и кандидата наук Оулина Ю, разработали новую технику создания ультратонкого висмута. Вдохновленная теркой для сыра, команда нанесла микроскопические углубления на полупроводниковую пластину, а затем механически срезала тонкие слои висмута. Затем они протестировали эти хлопья в экстремальных магнитных полях - в десятки тысяч раз более сильных, чем магнит на холодильник, - в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.

Нарушать правила физики?

Предыдущие исследования предполагали, что висмут не должен проявлять AHE, что делает выводы команды еще более загадочными.

"Я не могу указать ни на одну теорию, которая объяснила бы это, - сказал Жерве, - только обрывки потенциального объяснения".

Одна из гипотез заключается в том, что атомная структура висмута ограничивает движение электронов таким образом, что имитирует поведение топологических материалов, недавно открытых экзотических веществ, поверхность и внутреннее пространство которых обладают различными свойствами. Эти материалы могли бы произвести революцию в вычислительной технике.

Следующим шагом исследовательской группы является изучение того, может ли AHE висмута быть преобразован в его квантовый аналог - квантовый аномальный эффект Холла (QAHE). Такой прорыв мог бы проложить путь к электронным устройствам, которые функционируют при более высоких температурах, чем это было возможно ранее.

Исследование было поддержано Фондом "Новые рубежи в исследованиях", Канадским советом по естественным наукам и инженерным исследованиям (NSERC), Канадским институтом перспективных исследований и Фондом исследований Квебека - природы и технологий, базирующимся в Монреале CXC, а также Национальным научным фондом (NSF) для работа выполнена в Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде.