Eine kürzlich veröffentlichte Studie zeigt, wie mikroskopische Defekte und Gitterschwingungen innerhalb von Quantenmaterialien genutzt werden können, um den nichtlinearen Hall-Effekt zu kontrollieren. Dies eröffnet neue Wege für die Entwicklung kleinerer und effizienterer Energieerntevorrichtungen. Das Ergebnis wurde von einem internationalen Team unter der Leitung von Professor Qi Dongchen von der Queensland University of Technology und Professor Wang Xiaoren von der Nanyang Technological University in Singapur erzielt und in der Zeitschrift „Newton“ veröffentlicht.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf einen Quanteneffekt namens nichtlinearer Hall-Effekt. Im Gegensatz zum klassischen Hall-Effekt kann dieser Quanteneffekt Wechselstromsignale aus der Umgebung (wie z. B. drahtlose elektromagnetische Wellen) direkt in nutzbaren Gleichstrom umwandeln, ohne sperrige Bauteile wie herkömmliche Dioden. Professor Qi Dongchen erklärte dazu: „Der nichtlineare Hall-Effekt ist ein komplexes Quantenphänomen in der Festkörperphysik, das selbst in Abwesenheit eines Magnetfelds eine Spannung in einer Richtung senkrecht zum angelegten Wechselstrom erzeugen kann. Dieser Effekt ermöglicht es uns, Wechselstromsignale direkt in Gleichstrom umzuwandeln, genau die Energiequelle, die elektronische Geräte benötigen.“ Er wies weiter darauf hin, dass dies theoretisch bedeutet, dass Sensoren oder Chips ohne Batterie arbeiten könnten, indem sie Energie direkt aus der Umgebung beziehen.

Bei der Untersuchung eines hochwertigen topologischen Materials (Bismut-Tellurid) stellte das Team fest, dass dieser nichtlineare Hall-Effekt auch bei Raumtemperatur stabil bleibt. Noch wichtiger ist, dass die Richtung und Stärke der erzeugten Spannung durch die Temperatur gesteuert werden kann. Bei niedrigen Temperaturen dominieren winzige Defekte im Material das Verhalten dieses Quanteneffekts; bei steigender Temperatur beginnen die natürlichen Schwingungen des Kristallgitters die Hauptrolle zu spielen und können sogar zu einer Umkehrung der Richtung des elektrischen Signals führen.

Dieses tiefgreifende Verständnis des zugrundeliegenden Mechanismus des Quanteneffekts ebnet den Weg für zukünftige technologische Anwendungen. Professor Qi Dongchen blickte voraus: „Sobald man den Mechanismus im Inneren des Materials versteht, kann man Vorrichtungen entwerfen, die diese Eigenschaft nutzen. Dann wird der Quanteneffekt nicht mehr abstrakt sein, sondern beginnt, praktisch zu werden – er kann eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen unterstützen, von energieautarken Sensoren und Wearables bis hin zu ultraschnellen Komponenten in drahtlosen Netzwerken der nächsten Generation.“