Des chercheurs de l'Université de Manchester au Royaume-Uni ont découvert que l'effet Hall, un phénomène bien connu depuis plus d'un siècle, n'est plus aussi universel qu'on le pensait.

Dans le document de recherche publié dans Science cette semaine, le groupe dirigé par le Pr Sir Andre Geim et le Dr Denis Bandurin, ont constaté que l'effet Hall peut même être significativement plus faible, si les électrons interagissent fortement les uns avec les autres donnant lieu à un écoulement visqueux. Le nouveau phénomène est important à température ambiante, ce qui peut avoir des implications importantes lors de la fabrication de dispositifs électroniques ou optoélectroniques.

Tout comme les molécules dans les gaz et les liquides, les électrons des solides entrent fréquemment en collision les uns avec les autres et peuvent donc également se comporter comme des fluides visqueux. De tels fluides électroniques sont idéaux pour trouver de nouveaux comportements de matériaux dans lesquels les interactions électron-électron sont particulièrement fortes. Le problème est que la plupart des matériaux sont rarement assez purs pour permettre aux électrons d'entrer dans le régime visqueux. En effet, ils contiennent de nombreuses impuretés sur lesquelles les électrons peuvent se disperser avant d'avoir le temps d'interagir les uns avec les autres et d'organiser un flux visqueux.

Le graphène peut s'avérer très utile ici :la feuille de carbone est un matériau très propre qui ne contient que quelques défauts, impuretés et phonons (vibrations du réseau cristallin induites par la température) de sorte que les interactions électron-électron deviennent la principale source de diffusion, ce qui conduit à un flux d'électrons visqueux.

« Dans des travaux antérieurs, notre groupe a découvert que le flux d'électrons dans le graphène peut avoir une viscosité aussi élevée que 0,1 m ² s ^-1 , qui est 100 fois supérieure à celle du miel, " a déclaré le Dr Bandurin " Dans cette première démonstration d'hydrodynamique électronique, nous avons découvert des phénomènes très inhabituels comme la résistance négative, tourbillons d'électrons et flux superbalistique."

Des effets encore plus inhabituels se produisent lorsqu'un champ magnétique est appliqué aux électrons du graphène lorsqu'ils sont en régime visqueux. Les théoriciens ont déjà largement étudié l'électromagnétohydrodynamique en raison de sa pertinence pour les plasmas dans les réacteurs nucléaires et dans les étoiles à neutrons, ainsi que pour la mécanique des fluides en général. Mais, aucun système expérimental pratique dans lequel tester ces prédictions (comme une grande magnétorésistance négative et une résistivité de Hall anormale) n'était facilement disponible jusqu'à présent.

Dans leurs dernières expériences, les chercheurs de Manchester ont fabriqué des dispositifs en graphène avec de nombreuses sondes de tension placées à différentes distances du trajet du courant électrique. Certains d'entre eux étaient à moins d'un micron les uns des autres. Geim et ses collègues ont montré que si l'effet Hall est tout à fait normal s'il est mesuré à de grandes distances du chemin actuel, son amplitude diminue rapidement si sondée localement, en utilisant des contacts proches de l'injecteur actuel.

"Le comportement est radicalement différent de la physique standard des manuels", explique Alexey Berdyugin, un doctorat étudiant qui a mené le travail expérimental. "On observe que si les contacts de tension sont éloignés des contacts de courant, nous mesurons l'ancien, effet Hall ennuyeux, au lieu de ce nouvel « effet Hall visqueux ». Mais, si nous plaçons les sondes de tension près des points d'injection de courant - la zone dans laquelle la viscosité apparaît le plus dramatiquement sous forme de tourbillons dans le flux d'électrons - alors nous constatons que l'effet Hall diminue.

"Les changements qualitatifs du flux d'électrons causés par la viscosité persistent même à température ambiante si les dispositifs au graphène sont inférieurs à un micron, dit Berdiugine. "Puisque cette taille est devenue une routine ces jours-ci en ce qui concerne les appareils électroniques, les effets visqueux sont importants lors de la fabrication ou de l'étude d'appareils au graphène."