실온 전기 제어는 미래 기술 개발을 가열할 수 있습니다.

펜실베이니아 주립대와 매사추세츠 공과대학(MIT)의 연구자들이 공동으로 이끄는 팀에 따르면, 홀 효과라고 알려진 오래된 물리적 현상에서 몇 가지 새로운 요령이 드러났다고 합니다. 그들은 이번 주(10월 21일) Nature Materials에 양자 물질의 기본 물리학을 이해하고 양자 통신 및 무선 주파수를 통한 에너지 수확과 같은 응용 기술을 개발하는 데 잠재적인 영향을 미칠 수 있는 연구 결과를 보고했습니다.

기존의 홀 효과는 자기장이 있는 전기 도체나 반도체에서만 발생합니다. 홀 전압이라고 하는 새로 형성된 전압이 특징이며, 전류에 수직으로 측정할 수 있으며 인가된 전류에 직접 비례합니다.

그러나 새롭게 발견된 비상호 홀 효과는 자기장을 필요로 하지 않습니다. 펜실베이니아 주립 대학의 물리학, 재료 과학 및 공학, 화학과 교수인 지창 마오와 MIT의 물리학 교수인 량 푸가 이끄는 팀이 발견한 이 효과는 대신 홀 전압과 인가 전류 간의 관계로 표시되며 이는 수학적으로 설명할 수 있습니다. 홀 전압은 항상 전류의 제곱에 비례합니다. 그들은 실리콘에 증착된 텍스처 플래티넘 나노입자로 구성된 미세 구조에서 이 발견을 했습니다.

자기장에 의해 유도되는 힘에 의해 발생하는 기존의 홀 효과와 달리, 비상호 홀 효과는 전기적 전하를 띠는 입자인 전도 전자가 질감이 있는 백금 나노입자와 상호 작용하면서 발생합니다.

"이 연구에서 우리는 상온의 거대한 비상호 홀 효과에 대한 첫 번째 관찰을 보고합니다." 마오는 질감이 있는 백금 나노입자의 뚜렷한 기하학적 비대칭 산란이 관찰을 가능하게 했다고 설명했습니다. "또한 우리는 이 효과를 광대역 주파수 혼합 및 무선 마이크로파 감지에 적용할 수 있는 잠재력을 보여주었습니다. 이는 테라헤르츠 통신, 이미징 및 에너지 수확을 위해 비상호 홀 장치를 활용하는 엄청난 잠재력을 강조합니다."

이 연구는 재료의 비대칭 입자와 상호 작용할 때 전자가 어떻게 비대칭적으로 분산될 수 있는지 이해하는 데 달려 있습니다. 이 과정은 1827년 물리학자 Georg Ohm이 설명한 기본 원칙인 옴의 법칙을 위반하는 결과를 낳습니다. 옴의 법칙은 도체를 통과하는 전류는 인가된 전압에 비례한다고 명시합니다. 이 법칙에 따르면 자기장이 없는 경우 홀 전압은 0이어야 합니다. 그러나 Mao는 자기장이 0인 텍스처 백금 나노입자에서 전류와 함께 2차적으로 확장되는 비상호 홀 전압이 이 원리에 도전한다고 말했습니다.

마오에 따르면, 이러한 거동에 대한 조사에는 일반적으로 화씨 280도 미만의 낮은 온도가 필요하기 때문에 이 발견은 더욱 흥미롭습니다. 그러나 이 연구에서 증착된 백금 나노입자의 비대칭 구조는 실온에서도 비상호 홀 효과를 생성하는 것으로 보입니다. 마오는 이 작업이 양자 정류, 즉 교류를 직류로 변환하는 기술 및 빛에서 전기 신호를 만드는 광 검출과 같은 기술에 잠재적으로 적용될 수 있다고 말했습니다.

"이 획기적인 발견은 재료의 전하 이동에 대한 우리의 이해를 심화합니다." 마오는 텍스처 플래티넘 나노입자에서 비상호 홀 효과가 존재하는 핵심은 비대칭 전자 산란이라고 강조하며 말했습니다. "이 비대칭은 그렇지 않으면 균일한 풍경이었을 곳에서 고르지 못한 특징을 드러내며, 이러한 영역에서 새로운 통찰력을 발견할 가능성이 가장 높습니다."

Penn State에 소속된 공동 저자로는 연구 당시 재료 과학 및 공학 박사과정 학생이었고 현재 Cornell University의 박사후 연구원인 Lujin Min, 재료 연구소(MRI)의 조교수인 Seng Huat Lee, MRI의 2D Crystal Consortium의 연구 기술자 Yu Wang, 재료 과학 및 공학 대학원생인 Sai Venkata Gayathri Ayyagari, 연구 당시 박사과정 학생이었고 현재 Intel의 수율 개발 엔지니어인 Leixin Miao, 재료 과학 및 공학 조교수인 Nasim Alem이 있습니다. MIT 물리학과의 Yang Zhang, Yugo Onishi, Liang Fu, North Carolina Agriculture & Technical State University의 Zhijian Xie도 이 연구에 협력했습니다.

펜실베이니아 주립 대학, 미국 국립과학재단, 미국 육군 연구소, 미국 육군 연구소(군인 나노기술 연구소), 데이비드와 루실 패커드 재단, 푸나이 해외 장학금이 이 연구를 지원했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241024130553.htm