新颖的固有输运效应开启了潜在的非线性应用
就像血液在我们的血管中流动一样，我们微芯片心脏中的电子为我们的计算机注入了活力。在加速和缩小电子产品尺寸的竞赛中，对新技术和材料的需求不断增长，以重新定义我们当前的技术方法。
新加坡科技设计大学(SUTD)的杨盛元副教授及其团队与香港大学的研究助理教授丛晓合作，研究了一种以前从未观察到的电子传输现象。他们的研究结果最近发表在《物理评论快报》上，题为“本征非线性平面霍尔效应” 。
“材料的传输特性是我们理解材料和可能应用的基础，”杨副教授说，他解释说电子传输过程可以归因于外在和内在的贡献。外在机制源于缺陷和杂质等结构和几何特性，而内在机制则纯粹源于材料本身的特性。“内在贡献就像每种材料身份证上的信息，”他解释道。
在这项研究中，该团队开发了一个扩展的理论框架，并将其应用于不同条件下的不同材料中，以寻找具有新颖行为的材料。他们发现一系列特定的晶体结构具有表现新现象所需的必要对称性——固有非线性平面霍尔效应(NPHE)。
在电子产品中使用的传统材料中，在两点之间施加电压会导致电子在它们之间流动。流量随电压线性增加，从而实现计算和数据存储所需的精确控制。然而，在存在磁场的情况下，电子在材料中的传输可能会以不寻常的方式表现。磁场对电子传输的影响统称为霍尔效应。它们感应出的电流不一定沿施加电压的方向传播，这导致了超灵敏磁场传感器的发展。
先前的研究研究了平面霍尔效应 (PHE)，其中磁场、施加电压和感应电流都位于同一平面上。然而，这些现象大多数是外在的，并没有利用材料本身的固有特性。此外，这些效应通常具有线性行为，其中感应电流与施加的电压成比例。为了颠覆传统电子学，材料中的非线性复杂行为更受追捧。
杨副教授的团队发现的固有 NPHE 允许更广泛的可能晶体，这些晶体将表现出非线性复杂行为，这与其他 PHE 不同，其他 PHE 仅在非常严格限制的晶体结构子集下发展。
作为额外的好处，该团队发现内在 NPHE 的大小会根据所施加的磁场和电压的方向而变化。这通过简单的旋转在可能的应用中创建了额外的可控性旋钮。杨副教授对如何在当今的设备中利用这种效应持乐观态度，他认为这一过程可能会导致用于远程通信的非线性整流器或太赫兹探测器的新设计。
为了证明他们提出的机制的准确性，该团队寻找了具有所需对称性的众所周知的材料。对用于紧凑高效电子产品的二维 (2D) 材料的兴趣日益浓厚，这是他们进行搜索的绝佳起点。这些材料由堆叠成三明治状结构的晶体单层原子组成，通常具有电子特性，因此非常适合用于晶体管等组件。
2D 单层 MoSSe 于 2017 年首次合成，此后一直在积极研究中，发现其具有必要的晶体结构来证明杨副教授团队提出的机制。研究小组从基本原理开始进行计算，发现在适当的条件下，材料中可能会产生显着的内在 NPHE 响应。
鉴于更广泛的社区目前对研究这种材料感兴趣，该团队希望他们的理论能很快得到实验证据的支持。与此同时，杨副教授已经在寻找其他新颖的运输现象。
“我们的主要目标是了解材料的基础物理学，并了解自然界会发生什么影响，”他强调说。“我们将预测新的影响，为它们开发理论，并提出可能的应用。”
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