Исследователи из Университета Макгилла обнаружили, что висмут — металл, известный своей низкой токсичностью и биосовместимостью — может стать основой для электронных компонентов, сохраняющих стабильность в экстремальных температурных условиях.

Открытие, бросающее вызов традиционным представлениям физики, связано с наблюдением электрического эффекта, который остаётся неизменным в диапазоне от почти абсолютного нуля (-273°C) до комнатной температуры.

Команда под руководством профессора Гийома Жерве зафиксировала аномальный эффект Холла (AHE) в ультратонком слое висмута толщиной 68 нанометров. Этот эффект, при котором возникает напряжение, перпендикулярное приложенному току, обычно характерен для магнитных материалов. Однако висмут не проявляет магнитных свойств, что делает открытие неожиданным.

Схема устройства со стрелкой, показывающей направление приложенного магнитного поля Bz. ??????Иллюстрация: arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.12134

«Мы ожидали, что эффект исчезнет при повышении температуры, но он упорно сохранялся даже при комнатных значениях. Я был так уверен в обратном, что поспорил со студентами на бутылку вина — и проиграл», — признался Жерве.

Для экспериментов учёные разработали метод создания тонких пластин висмута, вдохновлённый… тёркой для сыра. На полупроводниковую подложку нанесли микроскопические борозды, после чего механически «соскребли» слои металла. Полученные образцы тестировали в Национальной лаборатории сильных магнитных полей (Флорида), подвергая их воздействию полей в десятки тысяч раз мощнее обычного магнита.

Ранее считалось, что висмут не способен проявлять AHE, поэтому результаты поставили перед физиками новую загадку. «Нет ни одной теории, которая бы полностью это объясняла, только фрагменты возможных ответов», — отметил Жерве. Одна из гипотез предполагает, что атомная структура металла ограничивает движение электронов, имитируя поведение топологических материалов — экзотических соединений, где поверхность и внутренние слои обладают разными свойствами. Такие материалы считаются перспективными для создания квантовых компьютеров.

Следующий шаг исследователей — проверить, можно ли преобразовать AHE в его квантовую версию (QAHE). Если это удастся, то электронные устройства на основе висмута смогут работать при гораздо более высоких температурах, чем современные аналоги. Это открыло бы двери для энергоэффективной и стабильной электроники, включая оборудование для космических миссий и медицинских имплантатов, где температурные колебания критичны.

«Если мы научимся управлять этим эффектом, то висмут станет ключевым элементом “зелёной” электроники», — подчеркнул Жерве. Учитывая нетоксичность металла и растущий спрос на экологичные технологии, открытие может задать новые стандарты в проектировании микроэлектроники будущего.

Подробнее на iXBT