Eine neue Studie hat gezeigt, wie winzige Unvollkommenheiten und Vibrationen in einem vielversprechenden Quantenmaterial genutzt werden könnten, um einen ungewöhnlichen Quanteneffekt zu steuern. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für kleinere, schnellere und effizientere Energiegewinnungsgeräte.
Das internationale Team unter der Leitung von Professor Dongchen Qi von der QUT School of Chemistry and Physics und Professor Xiao Renshaw Wang von der Nanyang Technological University in Singapur untersuchte den Mechanismus, der dem sogenannten nichtlinearen Hall-Effekt (NLHE) zugrunde liegt.
Anders als beim klassischen Hall-Effekt ermöglicht diese Quantenversion die direkte Umwandlung von elektrischen Wechselsignalen, wie sie beispielsweise in drahtlosen oder Umgebungsenergiequellen vorkommen, in nutzbaren Gleichstrom, ohne dass herkömmliche Dioden oder sperrige Bauteile benötigt werden.
„Der NLHE ist ein ausgeklügeltes Quantenphänomen in der Festkörperphysik, bei dem eine Spannung senkrecht zu einem angelegten Wechselstrom erzeugt wird, selbst ohne ein Magnetfeld“, sagte Professor Qi.
„Dieser Effekt ermöglicht es uns, Wechselsignale direkt in Gleichstrom umzuwandeln, der für den Betrieb elektronischer Geräte benötigt wird. Prinzipiell bedeutet dies, dass Sensoren oder Chips ohne Batterien funktionieren und ihre Energie aus ihrer Umgebung beziehen könnten.“
Das Team untersuchte ein hochwertiges topologisches Material, das für seine ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften bekannt ist, und stellte fest, dass der NLHE bis zur Raumtemperatur stabil bleibt.
Es wurde außerdem festgestellt, dass Richtung und Stärke der erzeugten Spannung von der Temperatur abhängen.
Bei niedrigen Temperaturen bestimmten winzige Materialfehler das Verhalten. Mit steigender Temperatur übernahmen die natürlichen Schwingungen des Kristallgitters die Kontrolle und führten zu einer Umkehr der Richtung des elektrischen Signals.
„Wenn man erst einmal verstanden hat, was im Inneren des Materials vor sich geht, kann man Geräte entwickeln, die sich das zunutze machen“, sagte Professor Qi.
„Dann hören Quanteneffekte auf, abstrakt zu sein, und werden nützlich – sie unterstützen zukünftige Anwendungen, die von energieautarken Sensoren und tragbarer Technologie bis hin zu ultraschnellen Komponenten für drahtlose Netzwerke der nächsten Generation reichen.“
Newton
