霍尔效应，这一长期以来被知晓的物理现象，最近揭示了一些新的见解。由宾夕法尼亚州立大学和麻省理工学院（MIT）团队领导的研究表明，这些发现可能对我们理解量子材料产生重大影响，并可能为量子通信和利用无线电频率进行能量收集等技术提供信息。
霍尔效应，作为一种成熟的物理现象，展现出一些新的发展，正如宾夕法尼亚州立大学和麻省理工学院的学者共同领导的研究团队所指出的。他们的发现于10月21日在自然材料上报告，可能会影响我们对量子材料基本物理学的理解，并推进应用技术的发展，如量子通信和通过无线电频率捕获能量。
传统霍尔效应是在电导体或半导体中，当存在磁场时观察到的。它产生一种霍尔电压，可以垂直于电流方向进行测量，并与施加的电流直接相关。
相对而言，新发现的非互易霍尔效应在没有磁场的情况下运作。这一现象由宾夕法尼亚州立大学的毛志强教授和麻省理工学院的傅亮教授领导的团队发现，特征是霍尔电压与施加电流的平方成比例的数学关系。他们通过在硅上使用纹理铂纳米颗粒的微结构实现了这一发现。
与依赖于磁场力量的传统霍尔效应不同，非互易霍尔效应源于流动的导电电子——带电粒子——与纹理铂纳米颗粒之间的相互作用。
毛教授解释说：“我们记录下了室温下的首个巨型非互易霍尔效应实例”，并将其归因于纹理铂纳米颗粒的显著不对称几何散射。“此外，我们展示了这种效应在宽带频率混合和无线微波检测等应用中的潜力，展现了其在太赫兹通信、成像和能量收集方面的巨大前景。”
这项工作根植于理解电子与不对称粒子相互作用时的散射模式。这导致了欧姆定律的违背——欧姆定律由物理学家乔治·欧姆于1827年提出，认为导体中的电流与施加电压成正比，预测在没有磁场的情况下霍尔电压应为零。然而，观察到的在零磁场下与纹理铂纳米颗粒的非互易霍尔电压的显示与这一原则相悖。
毛教授强调，这一发现尤其值得注意，因为对此类行为的研究通常需要低于华氏280度的低温。在这种情况下，沉积的铂纳米颗粒的非规则结构促进了即使在室温下也能实现非互易霍尔效应。根据毛教授的说法，这一发现可能推动量子整流（将交流电转换为直流电的过程）和光电检测（从光产生电信号）等领域的技术发展。
毛教授表示：“这一成就增强了我们对材料中电荷运动的理解”，并强调不对称电子散射对纹理铂纳米颗粒中的非互易霍尔效应至关重要。“这种不对称性揭示了原本应该存在均匀性的地方出现的不均匀特征，而这些区域可能会导致重大的新发现。”
来自宾夕法尼亚州立大学的共同作者包括Lujin Min，曾是一名材料科学与工程的博士生，现在是康奈尔大学的博士后研究员；Seng Huat Lee，材料研究所（MRI）的助理研究教授；Yu Wang，MRI的2D晶体联盟的研究技术员；Sai Venkata Gayathri Ayyagari，材料科学与工程的研究生；Leixin Miao，曾是一名博士生，现在是英特尔的产量开发工程师；以及Nasim Alem，材料科学与工程的副教授。麻省理工学院的合作者包括杨张、鬼头裕五、傅亮和来自北卡罗来纳农业技术州立大学的谢志坚。
这项研究得到了宾夕法尼亚州立大学、美国国家科学基金会、美国陆军研究实验室、通过士兵纳米技术研究所的美国陆军研究办公室、大卫和露西尔·帕卡德基金会以及船井海外奖学金的支持。
