De meilleures mathématiques pour distinguer les matériaux exotiques des classiques

L’effet Hall plan est un outil de diagnostic de laboratoire pour les propriétés quantiques spéciales utiles dans la recherche fondamentale et les applications technologiques. Ou du moins le pensait-on, car des calculs minutieux menés par des chercheurs de l’Université de Kobe clarifient les conditions dans lesquelles cet effet peut également apparaître dans des matériaux classiques. Cela rend le diagnostic plus pertinent et permet une conception plus ciblée.

Dans la recherche de matériaux aux propriétés utiles pour l’informatique quantique ou la spintronique, les chercheurs ont utilisé « l’effet Hall plan » comme outil de diagnostic de laboratoire : ils envoient un courant à travers un échantillon mince et plat et observent si une tension électrique est produite en réponse à un champ magnétique dans le même plan que l’échantillon. Si c’est le cas, le motif de la réponse de la tension à la rotation du champ magnétique dans le plan de l’échantillon renseigne les chercheurs sur les propriétés du matériau.

« En physique du solide, de belles lois fondées sur la symétrie sont valables. Par exemple, dans un cristal ayant la symétrie d’un carré, cette même symétrie se reflète généralement dans sa réponse physique. Cependant, le problème que nous avons abordé cette fois est un peu différent », déclare Yuki Fuseya, physicien quantique du solide à l’Université de Kobe. Dans certains matériaux, le motif que la tension présente lorsque le champ magnétique est tourné se répète tous les 120 degrés. « C’est-à-dire que même si le cristal n’a pas de symétrie triangulaire, sa réponse électrique à un champ magnétique peut présenter la même symétrie qu’un triangle », explique Fuseya. Les chercheurs ont interprété cela comme une indication de propriétés quantiques inhabituelles du matériau, car un tel motif ne pouvait pas être expliqué avec les modèles classiques du déplacement des électrons dans les cristaux. Fuseya ajoute : « J’ai été attiré par la nature intrigante de cette exception, j’ai donc voulu m’attaquer au problème. »

Dans la revue Physical Review B, le physicien de l’Université de Kobe et son équipe montrent maintenant que, pour faire simple, les chercheurs n’avaient pas poussé leurs calculs assez loin. Une analyse plus minutieuse à un ordre supérieur de la théorie classique vieille de 70 ans a montré qu’une symétrie ternaire peut en fait être attendue pour des matériaux classiques. Leur résultat donne donc aux physiciens des outils de diagnostic plus précis pour l’identification de propriétés quantiques inhabituelles. Le premier auteur de l’étude, Akiyoshi Yamada, déclare : « Un phénomène auparavant considéré comme une réponse rare dans un champ magnétique pourrait en réalité se produire dans de nombreux endroits, faisant de cette recherche une percée qui a mis en lumière un angle mort tant dans la théorie que dans l’expérimentation. »

De plus, l’équipe de l’Université de Kobe a pu montrer dans quelles conditions le motif de tension spécial devrait apparaître dans les matériaux classiques et pourquoi il est apparu dans des expériences précédentes avec des matériaux classiques. « Le point clé est l’alignement : l’orientation cristal-sonde détermine la composante ternaire, avec une applicabilité à une large classe de matériaux », écrivent les chercheurs dans leur article. Yamada ajoute : « Ce qui est particulièrement frappant, c’est que la réponse reflète la symétrie miroir plutôt que la symétrie rotationnelle, bien plus rare. » Cela signifie que, s’ils sont fabriqués avec une certaine orientation cristalline, une large gamme de matériaux devrait présenter une symétrie ternaire.

Ainsi, le nouveau résultat est habilitant plutôt que négatif. En plus de donner aux chercheurs des outils d’analyse plus précis, il indique également à ceux qui souhaitent utiliser l’effet Hall plan avec symétrie ternaire pour des capteurs magnétiques ou d’autres dispositifs qu’ils peuvent utiliser une classe de matériaux beaucoup plus large au lieu de se limiter aux matériaux exotiques, comment les produire et quels matériaux sont susceptibles de montrer les plus grands effets. Yamada résume les résultats en déclarant : « Cette étude démontre qu’en déchiffrant les régularités cachées du flux d’électrons, des informations sur la symétrie cristalline microscopique et la structure électronique peuvent être extraites de mesures électriques macroscopiques. Il s’agit d’une étape importante pour faire progresser la recherche sur les matériaux avancés de nouvelle génération, sur la base de mesures et d’interprétations plus fiables. »

Article : Classical transport theory for the planar Hall effect with threefold symmetry – Journal : Physical Review B – Méthode : Computational simulation/modeling – DOI : Lien vers l’étude

Source : Kobe U.