Le courant électrique est dévié par un champ magnétique - dans les matériaux conducteurs, cela conduit à ce que l'on appelle l'effet Hall. Cet effet est souvent utilisé pour mesurer les champs magnétiques. Une découverte surprenante vient d'être faite à la TU Wien, en collaboration avec des scientifiques de l'Institut Paul Scherrer (Suisse), Université McMater (Canada), et Rice University (États-Unis) :un métal exotique à base de cérium, le bismuth et le palladium ont été examinés et un effet Hall géant s'est avéré être produit par le matériau, en l'absence totale de tout champ magnétique. La raison de ce résultat inattendu réside dans les propriétés inhabituelles des électrons :ils se comportent comme si des monopôles magnétiques étaient présents dans le matériau. Ces découvertes sont maintenant publiées dans la revue scientifique PNAS .

Une tension perpendiculaire au courant

Lorsqu'un courant électrique traverse une bande métallique, les électrons se déplacent d'un côté à l'autre. Si un aimant est placé à côté de cette bande, une force agit sur les électrons, la force dite de Lorentz. Le chemin des électrons à travers la bande métallique n'est plus rectiligne, il est un peu plié. Par conséquent, il y a maintenant plus d'électrons d'un côté de la bande métallique que de l'autre, et cela crée une tension perpendiculaire à la direction dans laquelle le courant circule. C'est l'effet Hall classique, comme on le sait depuis de nombreuses années.

"La mesure de la force de l'effet Hall est l'une des manières dont nous caractérisons les matériaux dans notre laboratoire, " déclare le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique du solide de la TU Wien. " Vous pouvez en apprendre beaucoup sur le comportement des électrons à l'état solide à partir d'une telle expérience. " Lorsque Sami Dzsaber, qui travaillait sur sa thèse dans le groupe de recherche de Bühler-Paschen, examiné le matériau Ce 3 Bi 4 PD 3 , il a pris sa tâche très au sérieux et a également effectué une mesure sans champ magnétique. "Réellement, c'est une idée inhabituelle, mais dans ce cas c'était l'étape décisive, " dit Silke Bühler-Paschen.

La mesure a révélé que le matériau présente un effet Hall même sans champ magnétique externe - et pas seulement un effet Hall normal, mais un énorme. Dans les matériaux normaux, un effet Hall de cette force ne peut être produit qu'avec d'énormes bobines électromagnétiques. "Nous avons donc dû répondre à une autre question, " dit Silke Bühler Paschen. " Si un effet Hall se produit sans champ magnétique externe, avons-nous peut-être affaire à des champs magnétiques locaux extrêmement puissants qui se produisent à une échelle microscopique à l'intérieur du matériau, mais ne peut plus être ressenti à l'extérieur ?"

Des investigations ont donc été menées à l'Institut Paul Scherrer en Suisse :à l'aide de muons, particules élémentaires particulièrement bien adaptées à l'étude des phénomènes magnétiques, le matériau a été examiné de plus près. Mais il s'est avéré qu'aucun champ magnétique ne pouvait être détecté, même à l'échelle microscopique. "S'il n'y a pas de champ magnétique, alors il n'y a pas non plus de force de Lorentz qui puisse agir sur les électrons dans le matériau, mais néanmoins un effet Hall a été mesuré. C'est vraiment remarquable, " dit Silke Bühler-Paschen.

La symétrie est ce qui compte

L'explication de cet étrange phénomène réside dans l'interaction compliquée des électrons. "Les atomes de ce matériau sont disposés selon des symétries bien précises, et ces symétries déterminent la relation dite de dispersion, c'est-à-dire la relation entre l'énergie des électrons et leur quantité de mouvement. La relation de dispersion nous dit à quelle vitesse un électron peut se déplacer lorsqu'il a une certaine énergie, " dit Bühler-Paschen. " Il est également important de noter que vous ne pouvez pas regarder les électrons individuellement ici - il y a de fortes interactions de mécanique quantique entre eux. "

Cette interaction complexe entraîne des phénomènes qui ressemblent mathématiquement à la présence de monopôles magnétiques dans le matériau, c'est-à-dire pôles nord et sud solitaires, qui n'existent pas sous cette forme dans la nature. "Mais il a en fait l'effet d'un champ magnétique très fort sur le mouvement des électrons, " dit Bühler-Paschen.

L'effet avait déjà été prédit théoriquement pour des matériaux plus simples, mais personne n'avait pu le prouver. La percée s'est produite avec l'étude d'une nouvelle classe de matériaux :« Notre matériau de composition chimique Ce 3 Bi 4 PD 3 se caractérise par une interaction particulièrement forte entre les électrons, " explique Bühler-Paschen. " C'est ce qu'on appelle l'effet Kondo. Cela fait que ces monopôles magnétiques fictifs ont exactement la bonne énergie pour influencer extrêmement fortement les électrons de conduction dans le matériau. C'est la raison pour laquelle l'effet est plus de mille fois plus important que ce qui est théoriquement prédit."

Le nouvel effet Hall spontané géant offre un certain potentiel pour les technologies quantiques de prochaine génération. Dans ce champ, par exemple, les éléments non réciproques qui produisent une diffusion dépendante de la direction entièrement sans champ magnétique externe sont importants ; ils pourraient être réalisés avec cet effet. « Le comportement extrêmement non linéaire du matériau est également d'un grand intérêt, " explique Silke Bühler-Paschen. " Le fait que les phénomènes complexes à plusieurs particules dans les solides donnent lieu à des possibilités d'application inattendues rend ce domaine de recherche particulièrement passionnant. "