宾州大学公园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研究小组发现，一种被称为霍尔效应的古老物理现象揭示了一些新的把戏。他们在本周（10月21日）的《自然材料》杂志上报告了他们的发现，他们说这些发现对理解量子材料的基本物理学和开发应用技术（如量子通信和通过无线电频率收集能量）具有潜在的意义。
传统的霍尔效应只发生在有磁场存在的电导体或半导体中。它的特点是一个新形成的电压，称为霍尔电压，可以垂直于电流测量，并与施加的电流成正比。
然而，新发现的非互易霍尔效应并不需要磁场。由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程与化学物理学教授毛志强和麻省理工学院物理学教授傅亮领导的团队发现，这种效应可以用霍尔电压和施加电流之间的关系来表示，这种关系可以用数学方法来描述：霍尔电压总是与电流的平方成正比。他们在沉积在硅上的有纹理的铂纳米颗粒的微观结构中发现了这一发现。
传统的霍尔效应是由磁场诱导的力驱动的，而非互反霍尔效应是由流动的导电电子（携带电荷的粒子）与有纹理的铂纳米粒子相互作用产生的。
“在这项工作中，我们报告了首次观察到室温下巨大的非互易霍尔效应，”毛说，他解释说，有纹理的铂纳米颗粒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合和无线微波探测方面的潜在应用。这强调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。”
这项工作的关键在于理解电子在与材料中的非对称粒子相互作用时如何进行不对称散射。这一过程违反了欧姆定律。欧姆定律是物理学家乔治·欧姆在19世纪27年代提出的一个基本原则，即通过导体的电流与施加的电压成正比。根据这一定律，在没有磁场的情况下，霍尔电压应为零。然而，Mao说，在零磁场下，纹理铂纳米颗粒中的非互易霍尔电压与电流成二次比例，挑战了这一原理。
根据Mao的说法，这一发现更有趣，因为通常情况下，对这些行为的研究需要低于280华氏度的低温。然而，在本研究中，沉积的铂纳米颗粒的不对称结构即使在室温下也会产生非互易霍尔效应。毛说，这项工作可能在量子整流（将交流电转换为直流电）和光探测（包括从光中产生电信号）等技术上有潜在的应用。
“这一突破加深了我们对材料中电荷输运的理解，”毛说，他强调，在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。“这种不对称揭示了原本均匀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。”
宾夕法尼亚州立大学的共同作者包括卢金·闵，他在研究时是材料科学与工程专业的博士生，现在是康奈尔大学的博士后；李成华，材料研究所（MRI）助理研究教授；王宇，MRI二维晶体联盟研究技术员；Sai Venkata Gayathri Ayyagari，材料科学与工程研究生；苗磊新（Leixin Miao），他在做这项研究时还是一名博士生，现在是英特尔的一名产量开发工程师；以及材料科学与工程副教授Nasim Alem。麻省理工学院物理系张杨、大西裕吾、付亮；和北卡罗莱纳州农业与技术州立大学的谢志坚也参与了这项研究。
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和美国陆军研究办公室通过士兵纳米技术研究所、大卫和露西尔·帕卡德基金会以及船井海外奖学金帮助支持了这项研究。
