Efek Hall non-linier dalam film tipis bismut dapat dikontrol oleh geometri saluran berbentuk busur mikrofabrikasi. Kredit: B. Schröder/ HZDR
Tim peneliti dari Pusat Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR) dan Universitas Salerno di Italia telah menemukan bahwa lapisan tipis unsur bismut menunjukkan apa yang disebut efek Hall non-linier, yang dapat diterapkan dalam teknologi untuk penggunaan sinyal frekuensi tinggi terahertz yang terkontrol pada chip elektronik. Bismuth menggabungkan beberapa sifat menguntungkan yang tidak ditemukan di sistem lain hingga saat ini, seperti yang dilaporkan oleh tim Elektronik Alam. Khususnya: efek kuantum diamati pada suhu kamar. Film lapis tipis dapat diaplikasikan bahkan pada substrat plastik dan oleh karena itu cocok untuk aplikasi teknologi frekuensi tinggi modern.
“Saat kita memberikan arus pada material tertentu, material tersebut dapat menghasilkan tegangan yang tegak lurus terhadap material tersebut. Kami para fisikawan menyebut fenomena ini sebagai efek Hall, yang sebenarnya merupakan istilah pemersatu untuk efek dengan dampak yang sama, namun berbeda dalam mekanisme yang mendasarinya pada tingkat elektron. Biasanya, tegangan Hall yang tercatat bergantung secara linier pada arus yang diberikan,” kata Dr. Denys Makarov dari Institut Penelitian Fisika dan Material Ion Beam di HZDR.
Sebagian besar efek ini disebabkan oleh pengaruh medan magnet atau kemagnetan pada material. Namun pada tahun 2015, para ilmuwan menemukan bahwa efek Hall juga dapat terjadi tanpa pengaruh magnet. “Kami mencapai hal ini dengan material yang susunan kristalnya memungkinkan tegangan Hall tidak lagi berhubungan linier dengan arus,” tambah Prof. Carmine Ortix dari Departemen Fisika di Universitas Salerno. Efek ini sangat menarik karena memungkinkan jenis komponen baru untuk elektronik berkecepatan tinggi.
Kedua peneliti telah bekerja sama dalam mencari bahan yang cocok dan kemungkinan penerapan praktis dari apa yang disebut efek Hall non-linier. Meskipun Ortix adalah seorang ahli fisika teoretis, Makarov membawa pengetahuan eksperimental – dan koneksi ke lembaga lain di HZDR, yang secara signifikan terlibat dalam pekerjaan dengan keahlian mereka. “Kami berkumpul dengan rekan-rekan dari ELBE Center for High Power Radiation Sources, High Magnetic Field Laboratory, dan Institute for Resource Ecology. Tujuan umumnya: untuk mengidentifikasi bahan yang sesuai sehingga efek kuantum ini dapat muncul secara terkendali pada suhu kamar dan juga mudah ditangani serta tidak beracun,” kata Makarov, menjelaskan titik awal dari kerja sama ini.
Materi Akrab, Properti Baru
Pada bahan unsur bismut, tim telah menemukan kandidat yang menunjukkan sifat-sifat tersebut. Bismuth dikenal dengan efek Hall klasiknya yang kuat yang terdapat pada sebagian besar materialnya. Para peneliti menemukan bahwa di permukaan, efek kuantum mendominasi dan mengatur aliran arus bahkan pada suhu kamar.
Keuntungan utama dari pendekatan ini adalah para peneliti dapat menerapkan film tipis mereka dengan sifat kuantum ke berbagai substrat elektronik seperti wafer silikon dan bahkan plastik. Tim mencapai pengendalian efek melalui fabrikasi mikro yang canggih: mereka dapat secara langsung mempengaruhi arus melalui geometri saluran pada chip.
Material Quantum Baru Dengan Relevansi Teknologi
Tim lain telah menciptakan sejumlah bahan yang menunjukkan efek Hall non-linier, namun mereka tidak menggabungkan semua sifat yang diinginkan. Graphene, misalnya, aman bagi lingkungan dan efek Hall non-liniernya dapat dikontrol dengan baik, tetapi hanya pada suhu di bawah sekitar -70 derajat Celsius. Artinya, jika peneliti ingin menggunakan efek tersebut, mereka harus mendinginkannya dengan nitrogen cair. Untuk senyawa lain, mereka harus menggunakan suhu yang lebih rendah lagi.
Penelitian saat ini fokus pada pencarian bahan yang cocok, namun para ilmuwan sudah berpikir jauh ke depan. “Kami melihat potensi teknologi terutama dalam konversi gelombang elektromagnetik terahertz menjadi arus searah menggunakan bahan film tipis kami. Hal ini akan memungkinkan adanya komponen baru untuk komunikasi frekuensi tinggi”, kata Ortix. Untuk menjamin kecepatan transmisi data yang jauh lebih tinggi, sistem komunikasi nirkabel di masa depan harus memperluas frekuensi pembawa melebihi 100 gigahertz hingga rentang terahertz, yang tidak dapat dijangkau oleh teknologi masa kini.
Referensi: “Efek Hall nonlinier suhu ruangan yang dapat disetel dalam film tipis unsur bismut” oleh Pavlo Makushko, Sergey Kovalev, Yevhen Zabila, Igor Ilyakov, Alexei Ponomaryov, Atiqa Arshad, Gulloo Lal Prajapati, Thales VAG de Oliveira, Jan-Christoph Deinert, 2005; Paul Chekhonin, Igor Veremchuk, Tobias Kosub, Yuri Skoursky, Fabian Ganss, Denys Makarov dan Carmine Ortix, 2 Februari 2024, Elektronik Alam.
DOI: 10.1038/s41928-024-01118-y
