Un fenomeno esotico solitamente associato a campi magnetici elevati può essere ottenuto senza un campo magnetico, secondo le previsioni teoriche dei ricercatori di A*STAR e degli Stati Uniti. La loro analisi potrebbe aprire la strada a un nuovo tipo di dispositivo optoelettronico operante a lunghezze d'onda lunghe.

Una particella carica in un campo elettrico subisce una forza che la spinge lungo la direzione del campo, creando una corrente. La particella in movimento può anche subire una forza perpendicolare al suo movimento. Questo può accadere in presenza di un campo magnetico ad esempio, e può portare a una serie di proprietà insolite, in particolare quando domina la componente perpendicolare e l'elettrone inizia a seguire una traiettoria distorta. Ma questo cosiddetto regime di Hall richiede spesso grandi campi magnetici che sono poco pratici per i dispositivi reali.

Justin Song dell'A*STAR Institute of High Performance Computing, lavorando con il suo collega Mikhail Kats dell'Università del Wisconsin-Madison, hanno teoricamente previsto che un movimento insolito di tipo Hall può essere sfruttato a temperatura ambiente e senza un campo magnetico in una nuova classe di materiali noti come materiali Dirac con gap1. "I materiali Dirac sono semimetalli a causa delle loro simmetrie materiali, " spiega Song. "I materiali Dirac a spazi ridotti rompono delicatamente queste simmetrie, aprendo piccole lacune".

Il percorso alternativo all'effetto Hall studiato da Song e Kats si basa sulle cosiddette "valli" in questi materiali di Dirac sfalsati. Una valle, nel contesto della struttura a banda elettronica di un materiale, è un minimo in cui gli elettroni possono depositarsi. Se ci sono due valli con energia identica, gli elettroni in ciascuna delle valli dei materiali Dirac gapped presentano traiettorie contrastanti.

Song e Kats hanno sfruttato questo contrasto inducendo uno squilibrio di elettroni in una valle rispetto all'altra tramite un'illuminazione a luce polarizzata circolarmente. Hanno rivelato un effetto Hall fotoindotto (fotoconduttività Hall) con una forza fortemente determinata dalla lunghezza d'onda della luce, aumentando di un fattore fino a un milione quando si passa dalla luce visibile all'infrarosso lontano.

Ciò significa che i materiali Dirac gapped con una banda proibita elettronica più piccola, come eterostrutture grafene-boro-nitruro, sono più efficaci di quelli con una banda proibita più ampia, incluso il bisolfuro di molibdeno.

Questo fenomeno potrebbe essere utile per lo sviluppo di una nuova optoelettronica a infrarossi lontani e terahertz. "Una prospettiva particolarmente allettante è un nuovo tipo di concetto di fotorivelatore che misura la corrente di Hall in questi materiali Dirac gaped, ", afferma Song. "Un tale fotorivelatore potrebbe potenzialmente possedere una corrente di buio netta pari a zero anche con una grande tensione di polarizzazione".