Wyobraź sobie czujnik jakości powietrza, który działa latami bez wymiany baterii, mały układ śledzący drgania mostu albo chip w ubraniu, który zasila się sam z otoczenia. Naukowcy twierdzą, iż właśnie zrobili krok w stronę takiej elektroniki.
Międzynarodowy zespół fizyków z Australii i Singapuru przyjrzał się z bliska tzw. nieliniowemu efektowi Halla w specjalnie przygotowanym materiale topologicznym. To klasa substancji, w których elektrony poruszają się w bardzo uporządkowany, geometryczny sposób, dzięki czemu pojawiają się w nich zjawiska nieobserwowane w zwykłych metalach.
W klasycznym efekcie Halla do przewodnika przykładamy prąd i pole magnetyczne, a elektrony zbaczają w bok, co daje napięcie poprzeczne. W wersji kwantowej, którą zbadał zespół prof. Dongchena Qi, pole magnetyczne nie jest już potrzebne. Sam materiał, odpowiednio ukształtowany już na poziomie struktury elektronowej, potrafi wygenerować napięcie prostopadłe do przepływającego prądu zmiennego.
Mówiąc prościej, kryształ zachowuje się jak miniaturowy prostownik. Na wejściu dostaje falujący sygnał, jaki znamy z anten, cewek czy innych źródeł prądu zmiennego, a na wyjściu oddaje prąd stały, którym można zasilić układ elektroniczny. Bez klasycznych diod i ciężkich, stratnych komponentów.
Co w tym jest takiego niezwykłego?
Standardowy prostownik działa dzięki temu, iż półprzewodnik przepuszcza prąd w jedną stronę, a w drugą go blokuje. Tutaj cała magia dzieje się we wnętrzu materiału. Nieliniowy efekt Halla polega na tym, iż napięcie pojawiające się w poprzek próbki nie jest wprost proporcjonalne do przyłożonego prądu, ale zależy od niego w sposób bardziej złożony.
To właśnie ta nieliniowość sprawia, iż z samego kształtu sygnału można wyłuskać jego składową stałą, czyli dokładnie to, czego potrzebuje większość układów elektronicznych. Co ważne, efekt pojawia się bez zewnętrznego pola magnetycznego, więc w przyszłości takie struktury można wbudować bezpośrednio w chipy.
Największa zaleta nowej pracy polega na tym, iż naukowcy pokazali działanie zjawiska nie tylko w ekstremalnych, laboratoryjnych warunkach. Nieliniowy efekt Halla utrzymuje się w badanym materiale do temperatury pokojowej, a więc w zakresie typowym dla elektroniki użytkowej czy czujników środowiskowych.
Niedoskonałości kryształu stają się atutem
Fizycy poszli krok dalej i sprawdzili, co dokładnie steruje siłą tego kwantowego prostownika. Okazuje się, iż główną rolę grają dwa czynniki, które inżynierowie materiałowi zwykle traktują jak wrogów: drobne defekty sieci krystalicznej oraz drgania atomów.
Sieć krystaliczna idealnego materiału przypomina idealnie ułożoną kostkę brukową w trzech wymiarach. W rzeczywistości taka perfekcja nie istnieje. Tu brakuje kostki w postaci atomu, gdzie indziej pojawia się obcy pierwiastek, a całość stale drga, bo atomy nigdy nie są całkowicie nieruchome.
Badania pokazały, iż przy bardzo niskich temperaturach to właśnie te defekty decydują o tym, jak silny będzie nieliniowy efekt Halla. Gdy kryształ się nagrzewa, coraz większą rolę zaczynają odgrywać naturalne drgania sieci. W pewnym momencie to one przejmują kontrolę nad zachowaniem elektronów, a choćby potrafią odwrócić kierunek generowanego napięcia.
Z perspektywy projektowania urządzeń to świetna wiadomość. Zamiast walczyć o absolutnie idealny kryształ, można świadomie wbudowywać w materiał takie niedoskonałości i drgania, które dadzą pożądany efekt. Defekt staje się więc parametrem projektowym – jednym z pokręteł, którymi inżynier może sterować.
Od abstrakcyjnej fizyki do elektroniki bez baterii
Na razie mówimy o pojedynczych próbkach w laboratorium, ale kierunek jest bardzo klarowny. Skoro wiadomo już, w jakich warunkach nieliniowy efekt Halla jest silny, stabilny i sterowalny, można myśleć o jego zamknięciu w strukturach o rozmiarach pojedynczych mikrometrów.
Takie miniaturowe prostowniki mogłyby trafić do czujników internetu rzeczy, elementów elektroniki noszonej, implantów medycznych albo systemów monitorujących infrastrukturę. Wszystkie te urządzenia mają jedną wspólną cechę – pobierają bardzo mało mocy, za to powinny pracować miesiącami lub latami bez serwisu.
Już dziś istnieją technologie odzysku energii z otoczenia, które korzystają z drgań, światła, różnic temperatur czy fal radiowych. Problem polega jednak na tym, iż ta energia przychodzi w postaci słabych, brudnych sygnałów, które trzeba przekształcić w uporządkowany prąd. Każdy dodatkowy element – klasyczny prostownik, filtr, przetwornica – to straty i miejsce na awarię.
Jeśli część tego zadania przejmie sam materiał, zasilanie takich mikrourządzeń stanie się prostsze i tańsze. Kwantowy prostownik nie zastąpi więc w najbliższym czasie baterii w laptopie, ale może sprawić, iż tysiące małych, dziś bateryjnych modułów w ogóle przestanie potrzebować wymiennych ogniw.
