在一項可能重新定義無線通訊邊界的開創性研究中，研究人員將註意力放在一個不太可能的英雄：元素鉍（bismuth）。這種看似不起眼的材料，因其在化妝品和藥品中的用途而廣為人知，現在正處於技術革命的前沿，有望將數據傳輸速率的極限推入太赫茲範圍，遠遠超出了5G技術的當前能力。
這項由德國研究機構Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf（HZDR）和薩萊諾大學（University of Salerno）牽頭的合作研究揭示了薄膜元素鉍實作室溫非線性霍爾效應的潛力，這是他們在【自然電子】雜誌上詳述的突破。這一發現不僅挑戰了量子材料科學中的現有範式，還為量子增強的無線通訊技術鋪平了道路。
對量子的探索
對更快、更高效的數據傳輸的需求從未像現在這樣迫切。在5G時代，工程師和科學家一直在努力尋找進一步增強無線通訊技術的方法。最有前途的途徑之一是將這些系統的載波頻率提高到100千兆赫茲(GHz)以上，達到太赫茲範圍。然而，迄今為止可用的材料和裝置不足，無法實作下一代系統所需的高載波頻率。
而引入元素鉍，根據研究人員共同撰寫的研究，這種材料表現出一套獨特的特性，使其成為這一技術飛躍的理想候選者。與其他表現出非線性霍爾效應但需要低溫或復混成學成分的材料不同，鉍可以在室溫下有效執行，既簡單又環保。
非線性霍爾效應的飛躍
非線性霍爾效應是二次電壓橫向產生到所施加的電場的現象，對光電器件的發展至關重要。它通常出現在具有大Berry曲率的非中心對稱晶體中。然而，由於其一般在低溫和復混成合物中的出現，套用受到限制。而該研究報告了一個重大進展：這種效應在室溫下出現在元素鉍的多晶薄膜中。
這一發現不僅僅是一個科學研究，而且是具有巨大技術套用潛力。鉍（111）表面的電子具有三倍Berry曲率（Berry curvature triple），這可以啟用側跳和傾斜散射（side jumps and skew scatterings）等機制，產生非線性橫向電流。值得註意的是，這種效果可以在弧形鉍條紋中得到增強，從而引入了控制這一現象的新維度。
超出實驗室
這項研究的影響遠遠超出了學術實驗室的範圍。在室溫下利用非線性霍爾效應的能力為實際套用開啟了許多大門，特別是在無線通訊領域。鉍的強大經典霍爾效應，加上在室溫下主導其表面行為的量子效應，使其成為電子套用的非凡多功能材料。
此外，研究人員還證明了鉍薄膜在太赫茲光譜域中光電子套用的潛力。他們在三次諧波產生實驗中實作了高效率，展示了超過基準材料Bi2Se3的效能水平。這表明在開發能夠將太赫茲電磁波轉換為直流電的裝置方面有了重大飛躍，這是高頻通訊的重要組成部份。
前進之路
當世界正處於無線通訊新時代的開端，這項研究的結果為數據傳輸不僅更快而且更高效的未來提供了一瞥。使用鉍等薄膜材料將太赫茲電磁波轉換為直流電的技術潛力預示著新一代的高頻通訊元件。
研究團隊的創新方法，利用復雜的微制造技術在室溫下控制元素鉍中的非線性霍爾效應，標誌著在尋求量子增強無線通訊技術方面取得了重大進展。透過展示這種現象在現實世界場景中的套用，該團隊為其他人探索和擴充套件他們的發現奠定了基礎。
