Ett exotiskt fenomen som vanligtvis är förknippat med höga magnetfält kan uppnås utan ett magnetfält, enligt teoretiska förutsägelser av forskare från A*STAR och USA. Deras analys kan öppna vägen till en ny typ av optoelektronisk enhet som arbetar med långa våglängder.

En laddad partikel i ett elektriskt fält upplever en kraft som driver den längs fältets riktning, skapa en ström. Den rörliga partikeln kan också uppleva en kraft vinkelrätt mot dess rörelse. Detta kan ske i närvaro av ett magnetfält till exempel, och kan leda till en rad ovanliga egenskaper, särskilt när den vinkelräta komponenten dominerar och elektronen börjar följa en skev bana. Men denna så kallade Hall-regim kräver ofta stora magnetfält som är opraktiska för verkliga enheter.

Justin Song från A*STAR Institute of High Performance Computing, arbetade med sin kollega Mikhail Kats från University of Wisconsin-Madison, har teoretiskt förutspått att en ovanlig Hall-typ rörelse kan utnyttjas vid rumstemperatur och utan magnetfält i en ny klass av material som kallas gapade Dirac-material1. "Dirac-material är halvmetaller på grund av deras materiella symmetrier, "förklarar Song." Smalt-gapade Dirac-material bryter försiktigt dessa symmetrier, öppna små bandgap. "

Den alternativa vägen till en Hall-effekt som undersökts av Song och Kats är baserad på så kallade "dalar" i dessa gapade Dirac-material. En dal, i samband med materialets elektroniska bandstruktur, är ett minimum i vilket elektroner kan sätta sig. Om det finns två dalar med identisk energi, elektronerna i var och en av dalarna i gapade Dirac -material har kontrasterande banor.

Song och Kats utnyttjade denna kontrast genom att inducera en obalans av elektroner i en dal över den andra via cirkulärt polariserat ljus. De avslöjade en fotoinducerad Hall-effekt (Hall-fotokonduktivitet) med styrka som bestämdes starkt av ljusets våglängd, ökar med en faktor upp till en miljon vid byte från synligt ljus till långt infrarött.

Det betyder att Dirac -material med en mindre elektronisk bandgap, såsom grafen-bor-nitrid heterostrukturer, är mer effektiva än de med en större bandgap inklusive molybdendisulfid.

Detta fenomen kan vara användbart för utvecklingen av nya långt infrarött och terahertz optoelektronik. "En särskilt lockande möjlighet är en ny typ av fotodetektorkoncept som mäter Hall -strömmen i dessa gapade Dirac -material, "säger Song." En sådan fotodetektor kan potentiellt ha noll netto mörk ström även med en stor förspänning. "