探索宇宙奧秘 · 理性思考

2026年2月24日，一支由澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)領(lǐng)銜的國際研究團(tuán)隊，在期刊《Newton》上發(fā)表了一項引人入勝的成果。他們發(fā)現(xiàn)，在一種名為碲化鉍（Bi?Te?）的神奇材料內(nèi)部，那些通常被視為“缺陷”的微小雜質(zhì)和原子自身的振動，竟然可以被馴服，用來高效地將環(huán)境中的無線信號轉(zhuǎn)換為直流電。這聽起來有點(diǎn)像讓“搗亂分子”變成了“勞動模范”，而它指向的未來，或許就是無需電池的芯片。

要理解這項工作的精妙，我們先得聊聊“霍爾效應(yīng)”。這是高中物理就學(xué)過的經(jīng)典現(xiàn)象：給一塊導(dǎo)體通電流，再外加一個垂直的磁場，電流就會在磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而在導(dǎo)體的兩側(cè)產(chǎn)生一個電壓。

但這次研究的“非線性霍爾效應(yīng)”（NLHE）則完全是另一回事。它最神奇的地方在于，根本不需要外加磁場。

這個效應(yīng)是量子世界獨(dú)有的現(xiàn)象。簡單來說，在某些特殊材料內(nèi)部，電子的運(yùn)動規(guī)則被量子力學(xué)改寫了。當(dāng)一股交變電流（比如我們周圍無處不在的Wi-Fi信號、無線電波）通過這種材料時，材料本身特殊的量子結(jié)構(gòu)能扮演“交通警察”的角色，對電子進(jìn)行整流，從而產(chǎn)生一個純凈的、單一方向的直流電壓。這就像在驚濤駭浪（交流電）中修建了一條筆直的運(yùn)河，讓水流（直流電）能穩(wěn)定地沿著一個方向流動，直接給設(shè)備供電。

理論很美好，但要想讓這個效應(yīng)走出實(shí)驗(yàn)室，工程師們必須搞清楚一件事：到底是什么在操控這個效應(yīng)？

這正是此次研究的核心突破。由Dongchen Qi教授和王驍教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊，選擇了一種明星材料——碲化鉍（Bi?Te?）。這種材料本身是公認(rèn)的優(yōu)秀熱電材料，同時也是典型的“拓?fù)浣^緣體”，意味著它的內(nèi)部絕緣，但表面卻能完美導(dǎo)電。

團(tuán)隊對高質(zhì)量碲化鉍薄片進(jìn)行了細(xì)致入微的“審訊”。他們發(fā)現(xiàn)，非線性霍爾效應(yīng)在室溫下不僅能穩(wěn)定存在，其產(chǎn)生的電壓方向和大小居然還受溫度掌控。

他們進(jìn)一步揪出了幕后的兩個“推手”：

這項研究的意義在于，它第一次定量地把這兩個看似是“麻煩”的因素，轉(zhuǎn)化為了可理解、可調(diào)控的設(shè)計參數(shù)。正如Qi教授所說：“一旦你搞懂了材料內(nèi)部發(fā)生了什么，你就可以設(shè)計器件來利用它。”

如果說理解機(jī)制是“一葉知秋”，那么這片葉子已經(jīng)讓我們窺見了未來電子世界的整片森林。

傳統(tǒng)的電子設(shè)備，無論是手機(jī)還是傳感器，都離不開電池或電源線。它們內(nèi)部負(fù)責(zé)將交流信號（比如從空氣中捕獲的無線電波）轉(zhuǎn)換為直流電的部件，叫做“整流二極管”。但二極管在高頻下效率會大打折扣，而且體積和功耗都成了微型化設(shè)備的瓶頸。

非線性霍爾效應(yīng)提供了一種全新的、更優(yōu)雅的解決方案。它就像一個天生的、原子級別的“整流器”，能直接將環(huán)境中的無線能量捕獲并轉(zhuǎn)換，為低功耗芯片供電。這意味著未來的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，或許可以完全擺脫電池，靠吸收空氣中的微弱電磁輻射工作?？纱┐髟O(shè)備將變得更加輕薄，甚至能與衣物融為一體，無需頻繁充電。

當(dāng)然，從這項基礎(chǔ)科學(xué)突破到口袋里的真家伙，還有很長的路要走。目前還停留在材料層面的機(jī)理驗(yàn)證，要制成穩(wěn)定、高效、可量產(chǎn)的原型器件，還需要材料學(xué)家和工程師們通力合作。

在科技競賽中，中國讀者最關(guān)心的莫過于：我們在這個領(lǐng)域跑得怎么樣了？

這項研究本身就是一支“多國部隊”，其中有兩位關(guān)鍵領(lǐng)軍人物：澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)的亓東辰教授和新加坡南洋理工大學(xué)的王驍教授。雖然他們的主陣地目前在海外，但科研無國界，他們的工作本身就代表著華人在該領(lǐng)域的頂尖水平。

更重要的是，國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的布局也緊鑼密鼓，看點(diǎn)十足：