不得了：科學家發現量子材料“內鬼”，能讓芯片自己發電

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2026年2月24日，一支由澳大利亞昆士蘭科技大學和新加坡南洋理工大學領銜的國際研究團隊，在期刊《Newton》上發表了一項引人入勝的成果。他們發現，在一種名為碲化鉍（Bi?Te?）的神奇材料內部，那些通常被視為“缺陷”的微小雜質和原子自身的振動，竟然可以被馴服，用來高效地將環境中的無線信號轉換為直流電。這聽起來有點像讓“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”。這是高中物理就學過的經典現象：給一塊導體通電流，再外加一個垂直的磁場，電流就會在磁場作用下發生偏轉，從而在導體的兩側產生一個電壓。

但這次研究的“非線性霍爾效應”（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。

這個效應是量子世界獨有的現象。簡單來說，在某些特殊材料內部，電子的運動規則被量子力學改寫了。當一股交變電流（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構能扮演“交通警察”的角色，對電子進行整流，從而產生一個純凈的、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河，讓水流（直流電）能穩定地沿著一個方向流動，直接給設備供電。

理論很美好，但要想讓這個效應走出實驗室，工程師們必須搞清楚一件事：到底是什么在操控這個效應？

這正是此次研究的核心突破。由Dongchen Qi教授和王驍教授領導的團隊，選擇了一種明星材料——碲化鉍（Bi?Te?）。這種材料本身是公認的優秀熱電材料，同時也是典型的“拓撲絕緣體”，意味著它的內部絕緣，但表面卻能完美導電。

團隊對高質量碲化鉍薄片進行了細致入微的“審訊”。他們發現，非線性霍爾效應在室溫下不僅能穩定存在，其產生的電壓方向和大小居然還受溫度掌控。

他們進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，轉化為了可理解、可調控的設計參數。正如Qi教授所說：“一旦你搞懂了材料內部發生了什么，你就可以設計器件來利用它。”

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

傳統的電子設備，無論是手機還是傳感器，都離不開電池或電源線。它們內部負責將交流信號（比如從空氣中捕獲的無線電波）轉換為直流電的部件，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備的瓶頸。

非線性霍爾效應提供了一種全新的、更優雅的解決方案。它就像一個天生的、原子級別的“整流器”，能直接將環境中的無線能量捕獲并轉換，為低功耗芯片供電。這意味著未來的物聯網傳感器，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。

當然，從這項基礎科學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理驗證，要制成穩定、高效、可量產的原型器件，還需要材料學家和工程師們通力合作。

在科技競賽中，中國讀者最關心的莫過于：我們在這個領域跑得怎么樣了？

這項研究本身就是一支“多國部隊”，其中有兩位關鍵領軍人物：澳大利亞昆士蘭科技大學的亓東辰教授和新加坡南洋理工大學的王驍教授。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域的頂尖水平。

更重要的是，國內在相關領域的布局也緊鑼密鼓，看點十足：