Découverte d’un effet Hall non linéaire dans des films minces de bismuth

Une équipe de recherche de l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de l’Université de Salerne en Italie a découvert que des films minces d’élément bismuth présentent l’effet Hall non linéaire, qui pourrait être appliqué dans des technologies pour l’utilisation contrôlée de signaux haute fréquence térahertz sur des puces électroniques.

Le bismuth combine plusieurs propriétés avantageuses non trouvées dans d’autres systèmes à ce jour, comme l’équipe le rapporte dans Nature Electronics.

En particulier : l’effet quantique est observé à température ambiante. Les films minces peuvent être appliqués même sur des substrats plastiques et pourraient donc être appropriés pour des applications de haute technologie de fréquence.

L’effet Hall et ses implications

Lorsque nous appliquons un courant à certains matériaux, ils peuvent générer une tension perpendiculaire à celui-ci. Nous, les physiciens, appelons ce phénomène l’effet Hall, qui est en fait un terme unificateur pour des effets ayant le même impact, mais qui diffèrent dans les mécanismes sous-jacents au niveau des électrons. Généralement, la tension Hall enregistrée est linéairement dépendante du courant appliqué, explique le Dr. Denys Makarov de l’Institut de physique des faisceaux d’ions et de la recherche sur les matériaux de l’HZDR.

La plupart de ces effets sont le résultat de l’influence des champs magnétiques ou de la magnétisme dans le matériau. Cependant, en 2015, des scientifiques ont découvert que l’effet Hall peut également se produire sans l’influence du magnétisme.

« Nous réalisons cela avec des matériaux dont l’arrangement cristallin permet des tensions Hall qui ne sont plus linéairement liées au courant« , ajoute le professeur Carmine Ortix du Département de physique de l’Université de Salerne. Cet effet est d’un grand intérêt car il rend possible de nouveaux types de composants pour l’électronique à grande vitesse.

La recherche de matériaux et d’applications pratiques

Les deux chercheurs ont uni leurs forces dans la recherche de matériaux appropriés et des applications pratiques de cet effet Hall non linéaire. Alors que Carmine Ortix est un physicien théoricien, Denys Makarov apporte les connaissances expérimentales – et la connexion à d’autres instituts de l’HZDR, qui sont significativement impliqués dans le travail avec leur expertise.

« Nous nous sommes réunis avec des collègues du Centre ELBE pour les sources de rayonnement à haute puissance, du Laboratoire des champs magnétiques élevés et de l’Institut pour l’écologie des ressources. L’objectif commun : identifier un matériau approprié avec lequel cet effet quantique peut apparaître de manière contrôlable à température ambiante et qui est également facile à manipuler et non toxique« , décrit Denys Makarov, en décrivant le point de départ du travail commun.

Dans le matériau élémentaire bismuth, l’équipe a trouvé un candidat qui présente ces propriétés. Le bismuth est connu pour son fort effet Hall classique qui est présent dans la masse du matériau. Les chercheurs ont découvert que sur les surfaces, les effets quantiques dominent et régissent le flux de courant même à température ambiante.

Nouveaux matériaux quantiques à pertinence technologique

D’autres équipes ont déjà créé un certain nombre de matériaux qui présentent l’effet Hall non linéaire, mais ils ne combinent pas toutes les propriétés souhaitées. Par exemple, le graphène est respectueux de l’environnement et son effet Hall non linéaire peut être bien contrôlé, mais seulement à des températures inférieures à environ -70 degrés Celsius. Cela signifie que si les chercheurs veulent utiliser l’effet, ils doivent le refroidir avec de l’azote liquide. Pour d’autres composés, ils devraient utiliser des températures encore plus basses.

La recherche se concentre actuellement sur la recherche de matériaux appropriés, mais les scientifiques réfléchissent déjà à l’avance. « Nous voyons un potentiel technologique particulier dans la conversion des ondes électromagnétiques térahertz en courant continu à l’aide de nos matériaux minces. Cela rendra de nouveaux composants pour la communication haute fréquence possible« , conclut Carmine Ortix.

P. Makushko, S. Kovalev, Y. Zabila, I. Ilyakov, A. Ponomaryov, A. Arshad, G. Lal Prajapati, T. V. A. G. de Oliveira, J.-C. Deinert, P. Chekhonin, I. Veremchuk, T. Kosub, Y. Skourski, F. Ganss, D. Makarov, C. Ortix, A tunable room-temperature nonlinear Hall effect in elemental bismuth thin films, in Nature Electronics (2024) (DOI: 10.1038/s41928-024-01118-y)