Un antiguo fenómeno físico, conocido como efecto Hall, ha revelado algunos trucos nuevos, según un equipo dirigido por investigadores de Penn State y el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). Esta semana (21 de octubre) informaron sus hallazgos, que dicen que tienen implicaciones potenciales para comprender la física fundamental de los materiales cuánticos y desarrollar tecnologías aplicadas como la comunicación cuántica y la recolección de energía a través de radiofrecuencias. materiales naturales.
El efecto Hall tradicional se produce sólo en conductores eléctricos o semiconductores en presencia de un campo magnético. Se caracteriza por un voltaje recién formado, llamado voltaje Hall, que se puede medir perpendicular a la corriente y es directamente proporcional a la corriente aplicada.
Sin embargo, el efecto Hall no recíproco recientemente descubierto no requiere un campo magnético. Descubierto por equipos liderados por Zhiqiang Mao, profesor de física, ciencia e ingeniería de materiales y química en Penn State, y Liang Fu, profesor de física en el MIT, el efecto Hall aparece en la relación entre el voltaje Hall y la corriente aplicada. Lo cual se puede expresar matemáticamente: el voltaje Hall siempre es proporcional al cuadrado de la corriente. Lo encontraron en microestructuras compuestas de nanopartículas de platino estampadas depositadas sobre silicio.
A diferencia del efecto Hall convencional, que es inducido por un campo magnético, el efecto Hall inverso se crea mediante la deriva de electrones de conducción, que son partículas que llevan una carga eléctrica, hacia nanopartículas estructuradas de platino.
“En este trabajo, informamos la primera observación de un gran efecto Hall asimétrico a temperatura ambiente”, dijo Mao, explicando que la pronunciada dispersión geométrica asimétrica de las nanopartículas estructuradas de platino permitió la observación. “También demostramos la posible aplicación de este efecto a la mezcla de frecuencias de banda ancha y la detección inalámbrica de microondas. Esto ilustra el amplio potencial del uso de dispositivos Hall no recíprocos para la comunicación, la obtención de imágenes y la recolección de energía en terahercios”.
El trabajo depende de comprender cómo los electrones pueden dispersarse asimétricamente al interactuar con partículas asimétricas en un material. Este proceso resulta en una violación de la ley de Ohm, un principio fundamental descrito por el físico George Ohm en 1827, que establece que la corriente que pasa por un conductor es proporcional al voltaje aplicado. Según esta ley, el voltaje Hall debe ser cero en ausencia de campo magnético. Sin embargo, dijo Mao, un voltaje Hall invariante con corriente en nanopartículas estructuradas de platino en un campo magnético cero desafía este principio.
Según Mao, este hallazgo es aún más interesante porque, normalmente, estos comportamientos requieren temperaturas inferiores a 280 grados Fahrenheit para investigarse. Sin embargo, en este estudio, la estructura asimétrica de las nanopartículas de platino depositadas parece inducir un efecto Hall asimétrico incluso a temperatura ambiente. Mao dijo que el trabajo podría tener aplicaciones potenciales en tecnologías como la rectificación cuántica o conversión de corriente alterna en corriente continua y la fotodetección, que implica generar señales eléctricas a partir de la luz.
“Este avance profundiza nuestra comprensión del transporte de carga en los materiales”, afirmó Mao, destacando que la clave para la existencia del efecto Hall asimétrico en las nanopartículas estructuradas de platino es la dispersión asimétrica de los electrones. “Esta asimetría revela características desiguales en lo que de otro modo sería un paisaje uniforme, y es en estas áreas donde es más probable que descubramos nuevos conocimientos”.
Los coautores afiliados a Penn State incluyen a Logan Mann, quien era estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el momento de la investigación y ahora es asociado postdoctoral en la Universidad de Cornell. Seung Huat Lee, profesor asistente de investigación en el Instituto de Investigación de Materiales (MRI); Yu Wang, técnico de investigación del 2D Crystal Consortium de MRI; Sai Venkata Gayatri Ayagari, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales; Leixin Miao, que era estudiante de doctorado en el momento de la investigación y ahora es ingeniera de desarrollo de rendimiento en Intel; y Naseem Aleem, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales. Yang Zhang, Yugo Onishi y Liang Fu, Departamento de Física del MIT; y Zhijian Xie, de la Universidad Estatal Técnica y Agrícola de Carolina del Norte, también contribuyeron al estudio.
Penn State, la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y el Instituto de Nanotecnologías para Soldados de la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., la Fundación David y Lucile Packard y la Beca Fanai en el Extranjero apoyaron esta investigación.
