Gate-tunable large second-order and third-order nonlinear Hall effect in topological insulator BiSbTeSe2

في عالم الإلكترونيات، غالبًا ما تخضع طريقة حركة الكهرباء عبر المادة لقواعد صارمة من التماثل. تخيل طريقًا لا يمكن لحركة المرور فيه أن تتدفق إلا في اتجاه واحد ما لم يتم إزالة حاجز معين؛ وهذا يشبه بعض التأثيرات الكهربائية، مثل تأثير هول الكلاسيكي، الذي يتطلب مجالًا مغناطيسيًا لكسر التوازن الطبيعي للنظام ودفع الإلكترونات جانبًا. ومع ذلك، فقد اكتشف الفيزيائيون عائلة أكثر دقة من التأثيرات التي لا تحتاج إلى مجال مغناطيسي على الإطلاق، وتسمى هذه "تأثيرات هول غير الخطية". وبدلاً من العلاقة البسيطة والمستقيمة بين التيار المتدفق عبر سلك والجهد الذي ينتجه، تخلق هذه التأثيرات استجابة تتغير بطريقة أكثر تعقيدًا عندما يتم دفع التيار بقوة أكبر أو جعله يتذبذب. يحدث هذا عندما تفتقر المادة نفسها إلى نوع معين من تماثل المرآة، مما يسمح للإلكترونات بالتشتت بطريقة تولد جهدًا جانبيًا حتى بدون مغناطيسات. إن القدرة على التحكم في هذه التأثيرات باستخدام إشارة كهربائية بسيطة، بدلاً من المغناطيسات الضخمة، تحمل وعودًا كبيرة لإنشاء أجهزة إلكترونية أسرع وأكثر كفاءة يمكنها معالجة المعلومات بطرق جديدة.

وقد وجد باحثون في جامعة نانجينغ الآن طريقة لجعل هذه التأثيرات أقوى وأسهل في التحكم بها في نوع معين من المواد يُعرف باسم العازل الطوبولوجي. هذه المادة، المسماة BiSbTeSe2، مميزة لأن داخلها يعمل كعازل، مما يحجب الكهرباء، بينما يعمل سطحها كموصل عالي الكفاءة. قام الفريق ببناء أجهزة متناهية الصغر باستخدام رقائق رقيقة من هذه المادة، حيث تم وضعها بين طبقات من مواد أخرى لإنشاء نظام بوابة مزدوجة. سمح لهم هذا الإعداد بالعمل مثل "مضبط دقيق"، حيث يستخدمون بوابتين كهربائيتين منفصلتين لضبط تدفق الإلكترونات على السطح دون إزعاج بقية البلورة. ومن خلال إرسال تيار متردد عبر هذه الأجهزة وقياس الجهود الناتجة، لاحظوا نوعين متميزين من تأثيرات هول غير الخطية: استجابة من الدرجة الثانية، واستجابة من الدرجة الثالثة. وتشير هذه المصطلحات إلى كيفية ارتباط إشارة الجهد بتيار المدخل؛ حيث تظهر إشارة الدرجة الثانية عند ضعف تردد المدخل، بينما تظهر إشارة الدرجة الثالثة عند ثلاثة أضعاف التردد.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف مهمًا بشكل خاص هو درجة التحكم التي حققها الباحثون. فقد وجدوا أنه من خلال مجرد تعديل الجهد على بواباتهم، يمكنهم تشغيل قوة هذه الإشارات أو إيقافها، أو حتى عكس اتجاهها. ويعد هذا المستوى من القابلية للضبط خطوة كبيرة للأمام، حيث كانت المحاولات السابقة لمراقبة هذه التأثيرات في مواد مماثلة غالبًا ما يصعب التحكم فيها. وقد قاس الفريق كفاءة هذه الإشارات ووجد أن تأثير الدرجة الثانية كان قويًا بشكل ملحوظ، متجاوزًا بكثير ما شوهد في أنظمة العوازل الطوبولوجية الأخرى. ولعل الأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو أن هذه الإشارة القوية ظلت مستقرة حتى في درجة حرارة الغرفة، وهي حالة تختفي فيها عادةً العديد من الظواوا الكمومية الدقيقة. كما لوحظ تأثير الدرجة الثالثة بقوة تضاهي أفضل النتائج المسجلة في مواد أخرى، مما يمثل المرة الأولى التي يتم فيها رصد مثل هذه الإشارة في عازل طوبولوجي ثلاثي الأبعاد قوي.

ولفهم ما كان يسبب هذه الإشارات، حلل الباحثون كيف يتغير الجهد مع تغيير الموصلية الكهربائية للمادة. وقد اقترح هذا التحليل أن تأثير الدرجة الثانية ينشأ من مزيج من آليتين: إحداهما حيث تنحرف الإلكترونات بسبب الشوائب بطريقة معينة، والأخرى خاصية جوهرية تتعلق بشكل نطاقات طاقة الإلكترونات. أما تأثير الدرجة الثالثة، فيبدو أنه ينبع من خاصية جوهرية مختلفة لموجات الإلكترونات ونسخة من الدرجة الأعلى من انحراف الشوائب. كما استبعد الفريق عدة تفسيرات بديلة، مثل تأثيرات التسخين أو العيوب الكهربائية البسيطة، مما أكد أن الإشارات هي ظواهر كمومية حقيقية نابعة من الحالات السطحية الفريدة للمادة.

تغير سلوك هذه الإشارات بطرق مثيرة للاهتمام مع تغير درجة الحرارة. فبينما استمرت إشارة الدرجة الثانية حتى 300 كلفن، تلاشت إشارة الدرجة الثالثة مع ارتفاع درجة الحرارة، لتختفي في النهاية عند درجات حرارة أقل من نظيرتها. ويشير هذا الاختلاف إلى أن تأثير الدرجة الثالثة أكثر حساسية لسيادة الإلكترونات السطحية، التي تصبح أقل تأثيرًا مع تسبب الحرارة في جعل كتلة المادة توصل الكهرباء بحرية أكبر. كما فحص الباحثون اتجاه الإشارات عن طريق تدوير الجهاز ووجدوا أن استجابة الدرجة الثالثة تتبع نمطًا ثنائي التماثل محددًا، وهو ما يتوافق مع التنبؤات النظرية لهذا النوع من التأثيرات، رغم أن السبب المجهري الدقيق لكسر التماثل لا يزال سؤالًا مفتوحًا.

تؤسس هذه النتائج منصة قوية للمكونات الإلكترونية المستقبلية. إن القدرة على توليد إشارات غير خطية قوية وقابلة للضبط في درجة حرارة الغرفة، في مادة يسهل التحكم بها، تشير إلى مسار واضح نحو تطبيقات عملية. يمكن استخدام مثل هذه الأجهزة لبناء مقومات عالية التردد، والتي تحول التيار المتردد إلى تيار مستمر، أو مضاعفات التردد التي تولد ترددات إشارة جديدة. ومن خلال إثبات إمكانية هندسة هذه التأثيرات والتحكم فيها في بيئة مستقرة تعمل بدرجة حرارة الغرفة، يفتح هذا العمل الباب أمام جيل جديد من أجهزة المنطق الإلكترونية غير الخطية التي تعمل دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية خارجية.