Crédit : Masaki Uchida de l’Institut de technologie de Tokyo
Une résistance Hall anormale importante et non conventionnelle dans un nouveau semi-conducteur magnétique en l’absence d’ordre magnétique à grande échelle a été démontrée par les scientifiques des matériaux de Tokyo Tech, validant une prédiction théorique récente. Leurs découvertes fournissent de nouvelles informations sur l’effet Hall anormal, un phénomène quantique qui a déjà été associé à l’ordre magnétique à longue distance.
Les particules chargées telles que les électrons peuvent se comporter de manière interactive lorsqu’elles se déplacent sous l’influence de champs électriques et magnétiques. Par exemple, lorsqu’un champ magnétique est appliqué perpendiculairement au plan d’un conducteur porteur de courant, les électrons circulant à l’intérieur commencent à dévier latéralement en raison de la force magnétique et assez tôt, une différence de tension apparaît à travers le conducteur. Ce phénomène est connu sous le nom d’« effet Hall ». Cependant, l’effet Hall ne nécessite pas nécessairement de jouer avec des aimants. En fait, il peut être observé dans les matériaux magnétiques avec un ordre magnétique à longue portée, tels que les ferroaimants, gratuitement !
Baptisé « effet Hall anormal » (AHE), ce phénomène semble être un proche cousin de l’effet Hall. Cependant, son mécanisme est beaucoup plus impliqué. Actuellement, la plus acceptée est que l’AHE est produit par une propriété des bandes d’énergie électronique appelée “courbure de Berry”, qui résulte d’une interaction entre le spin de l’électron et son mouvement à l’intérieur du matériau, plus communément appelée “spin-orbite interaction.”
La commande magnétique est-elle nécessaire pour AHE ? Une théorie récente suggère le contraire. “Il a été théoriquement proposé qu’un grand AHE est possible même au-dessus de la température à laquelle l’ordre magnétique disparaît, en particulier dans les semi-conducteurs magnétiques avec une faible densité de porteurs de charge, une forte interaction d’échange entre les électrons et une chiralité de spin finie, qui se rapporte à la direction de spin en ce qui concerne la direction du mouvement », explique le professeur agrégé Masaki Uchida de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), dont la recherche se concentre sur la physique de la matière condensée.
Curieux, le Dr Uchida et ses collaborateurs du Japon ont décidé de mettre cette théorie à l’épreuve. Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiques, ils ont étudié les propriétés magnétiques d’un nouveau semi-conducteur magnétique EuAs qui n’est connu que pour avoir une structure de réseau triangulaire déformée particulière et ont observé un comportement antiferromagnétique (AFM) (spins des électrons voisins alignés dans des directions opposées) en dessous de 23 K. De plus, ils ont observé que la résistance électrique du matériau chute considérablement avec la température en présence d’un champ magnétique externe, un comportement connu sous le nom de « magnétorésistance colossale » (CMR). Cependant, plus intéressant encore, le CMR a été observé même au-dessus de 23 K, où l’ordre AFM a disparu.
« Il est naturellement entendu que la CMR observée dans les EuAs est causée par un couplage entre les porteurs dilués et les Eu localisés.2+ spins qui persistent sur une large plage de températures », commente le Dr Uchida.
Cependant, ce qui a vraiment volé la vedette, c’est l’augmentation de la résistivité de Hall avec la température, qui a culminé à une température de 70 K, bien au-dessus de la température d’ordre AFM, démontrant qu’un grand AHE était en effet possible sans ordre magnétique. Pour comprendre ce qui a causé cet AHE inhabituellement grand, l’équipe a effectué des calculs de modèle, qui ont montré que l’effet pouvait être attribué à une diffusion asymétrique des électrons par un amas de spins sur le réseau triangulaire dans un “régime de saut” où les électrons ne circulaient pas mais plutôt “sauté” de atome à l’atome.
Ces résultats nous rapprochent un peu plus de la compréhension du comportement étrange des électrons à l’intérieur des solides magnétiques. “Nos résultats ont aidé à faire la lumière sur les semi-conducteurs magnétiques à réseau triangulaire et pourraient potentiellement conduire à un nouveau domaine de recherche ciblant les porteurs dilués couplés à des ordres et des fluctuations de spin non conventionnels”, commente un Dr Uchida optimiste.
En effet, de nouvelles découvertes dans le monde quantique infiniment fascinant des électrons pourraient être à l’horizon !
Référence : « Above-ordering-temperature large anomalous Hall effect in a triangular-latticemagnetic semi-conducteur » par Masaki Uchida, Shin Sato, Hiroaki Ishizuka, Ryosuke Kurihara, Taro Nakajima, Yusuke Nakazawa, Mizuki Ohno, Markus Kriener, Atsushi Miyake, Kazuki Ohishi , Toshiaki Morikawa, Mohammad Saeed Bahramy, Taka-hisa Arima, Masashi Tokunaga, Naoto Nagaosa et Masashi Kawasaki, 22 décembre 2021, Avancées scientifiques.
DOI : 10.1126 / sciadv.abl5381
