Международная группа физиков показала, как микроскопические дефекты и колебания внутри квантового материала можно использовать для управления необычным эффектом, способным напрямую превращать переменный сигнал в постоянный ток. Это открывает путь к созданию компактных и энергоэффективных устройств, работающих без традиционных источников питания.
Учёные исследовали механизм нелинейного эффекта Холла — квантового явления, которое позволяет получать постоянное напряжение без магнитного поля и громоздких электронных компонентов.
В классическом эффекте Холла напряжение возникает только при наличии магнитного поля. В квантовой версии иначе: переменный ток — например, из радиосигналов, вибраций или окружающего электромагнитного «фона» — может напрямую преобразовываться в полезный постоянный ток. По сути, материал сам работает как сверхминиатюрный выпрямитель.
«Нелинейный эффект Холла позволяет генерировать напряжение перпендикулярно току даже без магнитного поля, — объясняет руководитель работы, профессор Дунчэн Ци. — Это значит, что мы можем напрямую превращать переменные сигналы в питание для электроники. В перспективе — датчики и микрочипы, работающие без батареек».
Исследователи изучали высококачественный топологический материал с необычной электронной структурой и обнаружили, что эффект сохраняется даже при комнатной температуре. Это важно для практического применения: многие квантовые явления работают только при сильном охлаждении, а здесь дополнительная криогеника не требуется.
Кроме того, выяснилось, что направление и сила возникающего напряжения зависят от температуры. При низких температурах поведение сигнала определяют мельчайшие дефекты в кристалле. По мере нагрева главную роль начинают играть естественные колебания атомов в решётке — и ток может менять направление.
По словам авторов, именно это сочетание дефектов и вибраций даёт инженерам новый инструмент управления квантовыми свойствами. «Когда понимаешь, что происходит внутри материала, можно проектировать устройства под конкретные задачи. В этот момент квантовая физика перестаёт быть абстрактной и становится полезной», — отмечает Ци.
В перспективе такие материалы могут лечь в основу самопитающихся сенсоров, носимой электроники, сверхбыстрых компонентов для беспроводной связи и систем интернета вещей.