Repousser les limites : détection de l'effet Hall anormal sans magnétisation dans une nouvelle classe de matériaux
Première preuve expérimentale de l'apparition de l'effet Hall anormal dans un antiferromagnétique colinéaire avec un comportement de liquide non-Fermi
Une équipe de recherche internationale dirigée par Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu et Satoru Nakatsuji de l'université de Tokyo, ainsi que Collin Broholm de l'université Johns Hopkins, a découvert l'effet Hall anormal dans un antiferromagnétique colinéaire. Plus étonnant encore, l'effet Hall anormal émerge d'un état liquide non-Fermi, dans lequel les électrons n'interagissent pas selon les modèles conventionnels. Cette découverte remet non seulement en question le cadre d'interprétation de l'effet Hall anormal, mais élargit également la gamme des antiferroaimants utiles pour les technologies de l'information.
La recherche fondamentale contribue à l'innovation technologique en approfondissant notre compréhension de l'interaction entre l'antiferromagnétisme, la topologie des bandes et les interactions électroniques fortes.
Ray et al 2025
Les spins sont des propriétés intrinsèques des électrons, généralement décrits comme étant "en haut" ou "en bas". Dans les ferromagnétiques, les spins s'alignent dans la même direction, ce qui magnétise le matériau. Cette magnétisation peut entraîner une tension perpendiculaire au courant électrique, même en l'absence de champ magnétique externe : c'est l'effet Hall anormal. En revanche, les antiferromagnétiques se caractérisent par des spins alignés dans des directions opposées, ce qui annule effectivement l'aimantation. Il devrait donc s'ensuivre que l'effet Hall anormal n'apparaît pas dans les antiferroaimants. Pourtant, c'est bien le cas.
"Des rapports antérieurs ont fait état de l'apparition de l'effet Hall anormal dans une certaine classe d'antiferromagnétiques colinéaires", explique Nakatsuji, le chercheur principal. "Toutefois, les signaux observés étaient extrêmement faibles. L'identification d'un effet Hall anormal véritablement dépourvu de magnétisation présentait un grand intérêt scientifique et technologique."
Cette entreprise a nécessité la coordination de plusieurs groupes. Fu et ses collègues étaient responsables du dispositif expérimental permettant de mesurer l'effet. Ils ont utilisé une famille de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD) comme éléments de construction bidimensionnels (2D). En insérant des ions magnétiques entre les couches atomiques, les chercheurs ont pu contrôler les mouvements et les interactions des électrons. La structure modifiée, désormais en 3D, avait le potentiel de présenter de nouveaux comportements qui n'auraient pas été possibles en 2D. Enfin, les chercheurs ont pu mesurer l'effet Hall anormal dans une large gamme de températures et de champs magnétiques. En outre, le groupe de Broholm a fourni des preuves microscopiques confirmant la structure antiferromagnétique colinéaire du matériau. Les résultats ont ensuite été combinés à l'analyse théorique et aux calculs effectués par le groupe de Ryotaro Arita à l'UTokyo.
"L'un des principaux défis de notre projet de recherche a été de construire un récit scientifique cohérent à partir de nos observations", explique Fu, l'un des codirecteurs de l'article. "Chaque étape a nécessité une interprétation minutieuse, notamment en raison du désordre structurel que l'on trouve couramment dans les systèmes de dichalcogénures de métaux de transition (TMD)."
La mesure obtenue constitue la première preuve expérimentale solide de l'effet Hall anormal observé dans les antiferromagnétiques colinéaires. Comme on pense généralement que l'effet Hall anormal va de pair avec l'aimantation, la détection suggère que quelque chose qui va bien au-delà de la compréhension standard est en jeu. Les chercheurs pensent que le phénomène est dû à la structure unique des bandes d'électrons du matériau, qui crée un important "champ magnétique virtuel" et renforce l'effet Hall anormal en l'absence d'aimantation. Nakatsuji explique les prochaines étapes.
"Nous cherchons à confirmer expérimentalement cette hypothèse et nous poursuivons activement une série d'études de suivi utilisant des techniques complémentaires, notamment la spectroscopie Raman, afin de découvrir les mécanismes sous-jacents.
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Publication originale
Mayukh Kumar Ray, Mingxuan Fu, Youzhe Chen, Taishi Chen, Takuya Nomoto, Shiro Sakai, Motoharu Kitatani, Motoaki Hirayama, Shusaku Imajo, Takahiro Tomita, Akito Sakai, Daisuke Nishio-Hamane, Gregory T. McCandless, Michi-To Suzuki, Zhijun Xu, Yang Zhao, Tom Fennell, Yoshimitsu Kohama, Julia Y. Chan, Ryotaro Arita, Collin Broholm, Satoru Nakatsuji; "Zero-field Hall effect emerging from a non-Fermi liquid in a collinear antiferromagnet V1/3NbS2"; Nature Communications, Volume 16, 2025-4-18
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