Un phénomène exotique généralement associé à des champs magnétiques élevés peut être réalisé sans champ magnétique, selon les prédictions théoriques des chercheurs de A*STAR et des États-Unis. Leur analyse pourrait ouvrir la voie à un nouveau type de dispositif optoélectronique fonctionnant à de grandes longueurs d'onde.

Une particule chargée dans un champ électrique subit une force qui la pousse dans la direction du champ, créer un courant. La particule en mouvement peut également subir une force perpendiculaire à son mouvement. Cela peut arriver en présence d'un champ magnétique par exemple, et peut conduire à une gamme de propriétés inhabituelles, en particulier lorsque la composante perpendiculaire domine et que l'électron commence à suivre une trajectoire asymétrique. Mais ce régime dit de Hall nécessite souvent des champs magnétiques importants qui sont peu pratiques pour les appareils réels.

Justin Song du A*STAR Institute of High Performance Computing, travailler avec son collègue Mikhail Kats de l'Université du Wisconsin-Madison, ont théoriquement prédit qu'un mouvement inhabituel de type Hall peut être exploité à température ambiante et sans champ magnétique dans une nouvelle classe de matériaux connus sous le nom de matériaux de Dirac à fente1. « Les matériaux Dirac sont des semi-métaux en raison de leurs symétries matérielles, " explique Song. " Les matériaux Dirac à fente étroite brisent doucement ces symétries, ouvrant de petites bandes interdites."

La voie alternative à un effet Hall étudiée par Song et Kats est basée sur ce que l'on appelle des « vallées » dans ces matériaux de Dirac troués. Une vallée, dans le cadre de la structure de bande électronique d'un matériau, est un minimum dans lequel les électrons peuvent s'installer. S'il y a deux vallées d'énergie identique, les électrons dans chacune des vallées des matériaux de Dirac à brèche présentent des trajectoires contrastées.

Song et Kats ont exploité ce contraste en induisant un déséquilibre des électrons dans une vallée par rapport à l'autre via un éclairage lumineux à polarisation circulaire. Ils ont révélé un effet Hall photo-induit (photoconductivité Hall) avec une force fortement déterminée par la longueur d'onde de la lumière, multipliant jusqu'à un million lors du passage de la lumière visible à l'infrarouge lointain.

Cela signifie que les matériaux Dirac avec une bande interdite électronique plus petite, telles que les hétérostructures graphène-nitrure de bore, sont plus efficaces que ceux avec une plus grande bande interdite, y compris le bisulfure de molybdène.

Ce phénomène pourrait être utile pour le développement de nouvelles optoélectroniques infrarouge lointain et térahertz. « Une perspective particulièrement alléchante est un nouveau type de concept de photodétecteur qui mesure le courant de Hall dans ces matériaux Dirac à brèches, ", dit Song. "Un tel photodétecteur pourrait potentiellement posséder un courant d'obscurité net nul, même avec une tension de polarisation élevée."