Учёные McGill University выяснили, что висмут, отличающийся низкой токсичностью и биосовместимостью, подходит для создания электронных элементов, работающих стабильно при высоких и низких температурах.
Открытие, оспаривающее устоявшиеся взгляды на физику, обусловлено обнаружением электрического эффекта, не изменяющегося от крайне низкой температуры (близко к абсолютному нулю — 273°C) до обычных температур.
В исследовании под руководством профессора Гийома Жерве обнаружен аномальный эффект Холла в ультратонком слое висмута толщиной 68 нанометров. Эффект, порождающий напряжение, перпендикулярное приложенному току, обычно наблюдается в магнитных материалах. Висмут же не обладает магнитными свойствами, что делает открытие неожиданным.
??????Иллюстрация: arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2406.12134
Мы предполагали, что эффект исчезнет с повышением температуры, однако Persistence прослеживался даже при обычной температуре. До такой степени я был убежден в обратном, что парировал с учащимися на бутылку вина и проиграл, — признался Жерве.
Учёные создали способ изготовления тонких пластин висмута, подобный методу работы тёрки для сыра. На полупроводниковую подложку наносились микроскопические борозды, после чего механически удаляли слои металла. Образцы тестировали в Национальной лаборатории сильных магнитных полей (Флорида), подвергая их воздействию полей, превосходящих обычный магнит в десятки тысяч раз.
Считалось, что висмут не способен проявлять AHE, поэтому результаты поставили перед физиками новую загадку. Нет ни одной теории, которая бы это полностью объясняла, только фрагменты возможных ответов — отметил Жерве. Одна гипотеза предполагает, что атомная структура металла ограничивает движение электронов, имитируя поведение топологических материалов — соединений, где поверхность и внутренние слои обладают разными свойствами. Такие материалы считаются перспективными для создания квантовых компьютеров.
Чтобы улучшить функциональность устройств из висмута, исследователи намерены проверить возможность перехода от AHE к его квантовой версии (QAHE). Успешное выполнение этого шага позволит электронным приборам работать в более широком температурном диапазоне по сравнению с существующими. Такой прорыв откроет путь к созданию энергоэффективных и стабильных электронных устройств, подходящих для использования в космических миссиях и медицинских имплантатах, где важны устойчивость к перепадам температуры.
По мнению Жерве, освоение управления этим эффектом сделает висмут основополагающим элементом в «зелёной» электронике. Нетоксичность металла и растущий спрос на экологичные технологии позволяют утверждать, что открытие может стать новым эталоном в проектировании микроэлектроники будущего.