La modélisation théorique met en lumière un nouvel effet Hall non linéaire

Une équipe internationale de chercheurs, dont une équipe du Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS), un centre de recherche sur les frontières énergétiques relevant de l’Office of Science du ministère américain de l’Énergie et dirigé par le laboratoire national Ames, a démontré expérimentalement un nouveau type d’effet Hall non linéaire. . Cet effet Hall est piloté par la métrique quantique, qui définit les distances entre les fonctions d’onde électroniques à l’intérieur d’un cristal.

Les travaux expérimentaux ont été menés par des scientifiques de l’Université Harvard tandis que la modélisation théorique a été développée au Ames Lab. Ce projet fournit la première preuve expérimentale de l’effet Hall non linéaire, qui n’a été que théorisé jusqu’à présent.

Peter Orth, qui a dirigé les efforts théoriques à Ames dans le cadre du projet CATS, a expliqué que la modélisation théorique était nécessaire pour comprendre ce qui se passait pendant l’expérience. Orth et le chercheur postdoctoral Thais V. Trevisan ont utilisé leur expertise pour démêler les interactions complexes révélées par les expériences.

Le matériau utilisé pour cette recherche est constitué de manganèse-bismuth-tellure (MnBi₂Te₄ ou CCP). Pour voir le phénomène, Orth a expliqué que le spécimen doit avoir une symétrie particulière. Orth a déclaré: “Mais si vous prenez simplement du MBT pur, ce phénomène est en fait nul par symétrie.” Ainsi, les expérimentateurs ont ajouté des couches de phosphore noir (BP), qui ont une symétrie différente, en haut et en bas du MBT. Le BP interagit avec le MBT, brisant la symétrie et entraînant une réponse Hall non linéaire non nulle.

Selon Orth, le but de cette expérience était de comprendre l’origine de l’effet Hall non linéaire métrique quantique. Ils voulaient comprendre si cela était dû à la déformation du réseau ou à un mélange électronique entre les couches MBT et BP.

“Notre contribution a consisté à modéliser théoriquement ce système. C’est un véritable défi car nous avons ces deux matériaux, MBT et BP, qui ont des constantes de réseau et des symétries différentes”, a déclaré Orth. “C’est comme un défi d’ingénierie.”

“Lorsque vous interfacez deux systèmes, vous avez essentiellement un réseau imposant une contrainte à l’autre système et réduisant la symétrie. C’est comme un effet où vous déplacez les atomes”, a expliqué Orth. “Ou vous pourriez avoir un couplage électronique, de sorte que les électrons sautent d’une couche de réseau à l’autre partie du système et reviennent, et cela ressemblerait davantage à un mélange des états électroniques.”

L’intégration de la déformation du réseau et du mélange électronique dans le modèle l’a rendu encore plus complexe. “Mais ce mélange électronique est très important pour capturer ces effets observés expérimentalement”, a déclaré Orth. Les calculs ont révélé que le phénomène provient à la fois de la déformation entre les deux réseaux différents et du mélange électronique avec différentes caractéristiques expérimentales associées aux deux mécanismes.

L’équipe a réussi à prouver que les résultats expérimentaux proviennent de l’effet Hall non linéaire métrique quantique. Le directeur de CATS et professeur Rob McQueeney de l’ISU a déclaré : « Les résultats sont au cœur de ce que nous essayons de réaliser dans CATS. De nouveaux matériaux avec des réponses passionnantes et prévisibles, comme l’effet Hall métrique quantique, attendent d’être découverts et pourraient à terme servir de futures plates-formes pour composants électroniques ou capteurs.

Cette recherche est discutée plus en détail dans « Effet Hall non linéaire métrique quantique dans une hétérostructure antiferromagnétique topologique », écrit par Anyuan Gao et al, et publié dans Science.