L’effet Hall non linéaire dans les films minces de bismuth peut être contrôlé par la géométrie des canaux microfabriqués en forme d’arc. Crédit : B. Schröder/HZDR
Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresde-Rossendorf (HZDR) et l’Université de Salerne en Italie ont découvert que des films minces de bismuth élémentaire présentent ce que l’on appelle l’effet Hall non linéaire, qui pourrait être appliqué dans les technologies d’utilisation contrôlée des signaux haute fréquence térahertz sur les puces électroniques. Le bismuth combine plusieurs propriétés avantageuses que l’on ne trouve pas dans d’autres systèmes à ce jour, comme le rapporte l’équipe dans Électronique naturelle. Notamment : l’effet quantique s’observe à température ambiante. Les films en couches minces peuvent également être appliqués sur des substrats en plastique et pourraient donc convenir aux applications modernes de la technologie haute fréquence.
« Lorsque nous appliquons un courant à certains matériaux, ils peuvent générer une tension perpendiculaire à celui-ci. Nous, physiciens, appelons ce phénomène l’effet Hall, qui est en fait un terme unificateur désignant des effets ayant le même impact, mais qui diffèrent par les mécanismes sous-jacents au niveau électronique. En règle générale, la tension Hall enregistrée dépend linéairement du courant appliqué », explique le Dr Denys Makarov de l’Institut de physique des faisceaux d’ions et de recherche sur les matériaux du HZDR.
La plupart de ces effets résultent de l’influence des champs magnétiques ou du magnétisme du matériau. Cependant, en 2015, des scientifiques ont découvert que l’effet Hall pouvait également se produire sans l’influence du magnétisme. « Nous y parvenons avec des matériaux dont la disposition cristalline 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.
Les deux chercheurs ont uni leurs forces dans la recherche de matériaux adaptés et d’applications pratiques possibles de cet effet Hall non linéaire. Alors qu’Ortix est un physicien théoricien, Makarov apporte son savoir-faire expérimental et ses liens avec d’autres instituts du HZDR, qui sont largement impliqués dans les travaux grâce à leur expertise. «Nous nous sommes réunis avec des collègues du Centre ELBE pour les sources de rayonnement de haute puissance, du Laboratoire de champs magnétiques élevés et de l’Institute for Resource Ecology. L’objectif commun : identifier un matériau approprié avec lequel cet effet quantique puisse apparaître de manière contrôlée à température ambiante et qui soit également facile à manipuler et non toxique », explique Makarov, décrivant le point de départ du travail commun.
Matériau familier, nouvelles propriétés
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 majeure partie du matériau. Les chercheurs ont découvert que sur les surfaces, les effets quantiques dominent et gouvernent le flux de courant même à température ambiante.
L’un des principaux avantages de cette approche est que les chercheurs peuvent appliquer leurs films minces dotés de propriétés quantiques à une variété de substrats électroniques tels que des tranches de silicium et même du plastique. L’équipe parvient à contrôler l’effet grâce à une micro-fabrication sophistiquée : elle peut influencer directement les courants via la géométrie des canaux sur la puce.
Nouveaux matériaux quantiques avec une pertinence technologique
D’autres équipes avaient déjà créé un certain nombre de matériaux présentant l’effet Hall non linéaire, mais ils ne combinent pas toutes les propriétés souhaitables. Le graphène, par exemple, est sans danger pour l’environnement et son effet Hall non linéaire peut être bien contrôlé, mais uniquement à des températures inférieures à environ -70 degrés. Celsius. Cela signifie que si les chercheurs souhaitent utiliser cet effet, ils doivent le refroidir avec de l’azote liquide. Pour d’autres composés, il faudrait utiliser des températures encore plus basses.
La recherche se concentre actuellement sur la recherche de matériaux appropriés, mais les scientifiques réfléchissent déjà à l’avenir. « Nous voyons avant tout un potentiel technologique dans la conversion des ondes électromagnétiques térahertz en courant continu grâce à nos matériaux en couches minces. Cela permettra de créer de nouveaux composants pour la communication haute fréquence », déclare Ortix. Pour garantir des débits de transmission de données nettement plus élevés, les futurs systèmes de communication sans fil devront étendre la fréquence porteuse au-delà de 100 gigahertz dans la gamme des térahertz, ce qui est hors de portée des technologies actuelles.
