La Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) ha descubierto importantes efectos Hall no lineales (NLHE) y de rectificación inalámbrica a temperatura ambiente en el telurio (Te) semiconductor elemental. El NLHE es de considerable interés científico debido a sus posibles aplicaciones en dispositivos de duplicación y rectificación de frecuencia. El efecto Hall no lineal es una respuesta de segundo orden a una corriente alterna (CA) aplicada, que puede generar señales de segundo armónico sin introducir un campo magnético externo.
Los estudios anteriores han enfrentado desafíos como salidas de bajo voltaje Hall y bajas temperaturas de trabajo, lo que dificulta las aplicaciones prácticas del NLHE. Actualmente, el NLHE a temperatura ambiente solo se ha observado en el semimetal de Dirac BaMnSb2 y el semimetal de Weyl TaIrTe4, los cuales exhiben salidas de voltaje relativamente pequeñas y carecían de capacidad de ajuste.
Para abordar los desafíos, el equipo de investigación tomó la decisión de buscar sistemas que exhibieran una NLHE excepcional en materiales semiconductores. Estudiaron la respuesta no lineal del telurio, un semiconductor de banda estrecha caracterizado por sus estructuras de cadena helicoidal atómica unidimensional, que rompe inherentemente la simetría de inversión, lo que hace del telurio un candidato óptimo.
Rectificación de la radiofrecuencia inalámbrica
El equipo descubrió una NLHE significativa a temperatura ambiente en láminas delgadas de telurio, con salidas de voltaje Hall ajustables moduladas por voltajes de compuerta externos. A 300 K, la salida máxima del segundo armónico puede alcanzar 2,8 mV, que es un orden de magnitud más alto que los registros anteriores. A través de experimentos adicionales y análisis teóricos, descubrieron que la NLHE observada en láminas delgadas de telurio está impulsada principalmente por dispersión extrínseca, y que la ruptura de la simetría de la superficie de la estructura de lámina delgada juega un papel crucial.
A partir de este avance, el equipo reemplazó la corriente alterna por señales de radiofrecuencia (RF) y logró la rectificación de RF inalámbrica en láminas delgadas de telurio. Lograron una salida de voltaje rectificado estable en un amplio rango de frecuencia de 0,3 a 4,5 GHz.
A diferencia de los rectificadores convencionales que se basan en uniones p-n o uniones metal-semiconductor, el rectificador Hall basado en las propiedades inherentes del telurio ofrece una respuesta de banda ancha con polarización cero, lo que lo convierte en una opción atractiva para desarrollar dispositivos de recolección de energía y carga inalámbrica eficientes y confiables.