Закон Ома — одна из базовых формул в физике: ток прямо пропорционален напряжению. Но оказывается, что это работает не всегда. В некоторых кристаллах, где нарушена так называемая инверсная симметрия, ток и напряжение связаны по-другому. Там вступают в силу нелинейные эффекты, и электрический отклик становится куда более сложным.
Исследователи из Испании под руководством Мануэля Суареса-Родригеса собрали все, что известно о таких случаях, в обзорной статье, опубликованной в журнале Nature Materials.
Обычные кристаллы устроены так, что их структура остается неизменной при зеркальном отражении. Но у некоторых веществ такой симметрии нет. В них нарушена пространственная «зеркальность» — и именно это позволяет току вести себя иначе: он уже не растет пропорционально напряжению, а изменяется по более сложным законам, сообщает phys.org.
Нашей целью стало объединить разрозненные результаты в целостную картину, которую физики, изучающие конденсированные среды и материалы, могли бы использовать для развития этой области.
Ключ к необычному поведению тока — в особом устройстве самого кристалла. Его структура нарушает привычный порядок, и это влияет на движение электронов. В таких материалах важную роль играют геометрические эффекты, например, кривизна Берри, которые напрямую связаны с тем, как электроны «движутся» внутри вещества, и как распределена энергия в его структуре. Именно это и порождает нелинейные токи — не из-за внешнего воздействия, а по внутренним законам самой материи.
Эти эффекты интересны не только с научной точки зрения — у них есть и вполне прикладной потенциал. Во-первых, такие нелинейные токи можно использовать для прямого преобразования переменного тока в постоянный — например, для беспроводного выпрямления радиочастот на чипе. В отличие от обычных схем с диодами, здесь не нужны контакты, внешние источники поля или переходы между слоями.
Во-вторых, такие материалы могут служить чувствительными сенсорами — например, в спинтронике, где важны даже слабые токи, связанные со спином электрона. И наконец, такие эффекты работают даже в однослойных структурах, что особенно важно для создания компактных квантовых устройств.
Это не отменяет закон Ома — но показывает, что у природы есть лазейки. И ученые только начинают понимать, как с их помощью создавать новые классы микроустройств.
Ранее мы рассказывали о том, что физики открыли новый тип магнетизма.