Researchers studying two-dimensional crystalline materials have observed an electromagnetic effect, called the nonlinear anomalous Hall effect, of unprecedented size. Their finding opens the door to exploring other quantum materials using their techniques and hints at promising applications in spintronic devices.
“The nonlinear anomalous Hall effect could be found in other materials with low crystalline symmetry, but we cannot predict just how large of an effect we could expect,” said Wei Tsen, a faculty member at the Institute for Quantum Computing (IQC) and the University of Waterloo’s Department of Chemistry, the corresponding author on the paper. “So, this work opens the door to exploring other materials in a similar way.”
Wei Tsen in the Quantum Materials and Devices Lab.
Understanding the different Hall effects
In 1879, Edwin Hall found that introducing a magnetic field perpendicular to electric current flowing through a conductor would cause an unexpected voltage drop along the third perpendicular, which we now understand as due to the electrons being deflected sideways by the magnetic field. This phenomenon came to be known as the Hall effect.
Later, he found that using a magnetic conductor produced an even larger Hall effect, which can persist even after removing the introduced magnetic field. This variation is now called the anomalous Hall effect (AHE).
“It’s tempting to think that this is just due to the internal magnetization of the sample,” said Tsen, “but it turns out that it actually has some deep quantum mechanical origins that people have only recently figured out.”
More recently, researchers have shown that materials with reduced crystal symmetries can generate a Hall effect with no sample magnetization or external magnetic field. Here, the electric current itself effectively magnetizes the material, and then that magnetization gives rise to the Hall effect. This unique property means that the size of the Hall effect increases quadratically with the size of the current, instead of linearly, and so is termed the nonlinear AHE.
Materials that maximize
The AHE has inspired researchers to see how large of an effect they can get with different materials when no magnetic field is applied. The larger the effect per a given input of current, the higher the Hall ratio. Materials with a high Hall ratio may prove useful for developing spintronic devices that use electric current to control spin.
Conventional magnetic conductors typically have a Hall ratio of about 0.01. Materials that exhibit a so-called giant AHE have a ratio of around 0.1. By taking advantage of the strong nonlinearity in molybdenum ditelluride and tungsten ditelluride, the researchers observed a Hall ratio of 2.47, more than an order of magnitude larger than previous records.
“It was exciting to see the manifestation of symmetry in the nonlinear AHE,” said Archana Tiwari, IQC and physics and astronomy department PhD student and first author on the paper.
“A lot of things came together to give rise to this large Hall ratio,” said Tsen. “The orientation in which we measured, the quality of the material, and the nonlinear mechanism itself all contributed.”
Many researchers also had to come together to make this experiment happen. The nonlinear AHE in the orientation and materials measured by Tiwari and Tsen was predicted by Binghai Yan of the Weizmann Institute of Science in Israel, also an author on the paper. The materials were grown by Tsen’s postdoctoral fellow Fangchu Chen and other collaborators while he was a PhD student at the Chinese Academy of Sciences. And researchers at the University of Michigan, Ann Arbor performed optical characterization of the samples.
Harnessing the Hall effect
Now that they have demonstrated the extremely large nonlinear AHE experimentally, Tsen hopes to continue exploring the effect’s ties to other properties like electron spin. There are already hints that this connection exists, which means it could one day be useful for developing spintronic devices like magnetic random-access memory.
But we’ll never know for sure unless we keep exploring. And that is just what Tsen and his team plan to do.
Giant c-axis nonlinear anomalous Hall effect in Td-MoTe2 and WTe2 was published in Nature Communications onApril 6, 2021. This research was supported by the Canada First Research Excellence Fund through Transformative Quantum Technologies and by the Army Research Office.
You can learn more about the Hall effect below.
Des chercheurs de l’IQC observent un effet Hall sans précédent
Des chercheurs qui travaillent sur des matériaux cristallins bidimensionnels ont observé un effet électromagnétique, appelé effet Hall anormal non linéaire, d’une ampleur sans précédent. Leurs constatations ouvrent la voie à l’étude d’autres matériaux quantiques à l’aide de leurs techniques, ainsi qu’à des applications prometteuses dans des dispositifs d’électronique de spin.
« On a constaté un effet Hall anormal non linéaire dans d’autres matériaux ayant une faible symétrie cristalline, mais on ne pouvait pas prédire jusqu’à quel point cet effet serait important », a déclaré Wei Tsen, professeur à l’Institut d’informatique quantique (IQC) et au Département de chimie de l’Université de Waterloo, auteur-ressource de l’article. « Ces travaux ouvrent donc la voie à l’étude d’autres matériaux à l’aide de méthodes semblables. » [traduction]
Wei Tsen dans le laboratoire de matériaux et dispositifs quantiques
Comprendre les divers effets Hall
En 1879, Edwin Hall a constaté que l’application d’un champ magnétique perpendiculaire au courant électrique traversant un conducteur entraîne une baisse inattendue de la tension dans la direction du 3e axe. On sait maintenant que cela est dû à une déviation de côté des électrons sous l’effet du champ magnétique. Ce phénomène a été baptisé effet Hall.
Plus tard, Edwin Hall a constaté que l’utilisation d’un conducteur magnétique produisait un effet Hall encore plus important, qui peut persister même après l’arrêt de l’application du champ magnétique. Cette variante est maintenant appelée effet Hall anormal (EHA).
« Il est tentant de penser que cela est dû uniquement à la magnétisation interne de l’échantillon, dit M. Tsen, mais il se trouve que ce phénomène a des causes profondes, de l’ordre de la mécanique quantique, que les scientifiques n’ont trouvées que récemment. » [traduction]
Encore plus récemment, des chercheurs ont démontré que des matériaux ayant une faible symétrie cristalline peuvent produire un effet Hall sans magnétisation de l’échantillon ni champ magnétique externe. Dans ce cas, le courant électrique lui-même magnétise effectivement le matériau, et cette magnétisation donne lieu à l’effet Hall. Comme l’ampleur de l’effet Hall augmente non pas de manière linéaire, mais plutôt avec le carré du courant, l’effet Hall est alors appelé EHA non linéaire.
Matériaux qui maximisent l’EHA
La découverte de l’EHA a incité les chercheurs à mesurer l’ampleur de l’effet Hall qu’ils peuvent obtenir avec différents matériaux sans que l’on applique un champ magnétique. Plus l’effet Hall est important pour un courant donné, plus le rapport de Hall est élevé. Des matériaux ayant un rapport de Hall élevé pourraient être utiles dans la mise au point de dispositifs d’électronique de spin qui font appel à un courant électrique pour contrôler le spin.
Les conducteurs magnétiques conventionnels ont typiquement un rapport de Hall d’environ 0,01. Les matériaux qui ont un EHA qualifié de « géant » ont un rapport de Hall d’environ 0,1. En tirant parti de la forte non-linéarité du ditellurure de molybdène et du ditellurure de tungstène, les chercheurs ont observé un rapport de Hall de 2,47, soit plus d’un ordre de grandeur de plus que les records précédents.
« C’était enthousiasmant de voir la manifestation de symétrie dans l’EHA non linéaire » [traduction], a déclaré Archana Tiwari, doctorante à l’IQC ainsi qu’au Département de physique et d’astronomie, et première auteure de l’article.
« Beaucoup de conditions ont été réunies pour donner ce grand rapport de Hall, dit M. Tsen, notamment l’orientation dans laquelle nous avons mesuré la qualité du matériau et le mécanisme non linéaire lui-même. » [traduction]
La contribution de nombreux chercheurs a aussi été nécessaire pour que cette expérience puisse avoir lieu. L’EHA non linéaire dans l’orientation et les matériaux mesurés par Mme Tiwari et M. Tsen a été prédite par Binghai Yan, de l’Institut Weizmann des sciences en Israël et l’un des auteurs de l’article. Les matériaux ont été cultivés par Fangchu Chen, postdoctorant au sein de l’équipe de M. Tsen, et d’autres collaborateurs, alors que M. Chen était doctorant à l’Académie chinoise des sciences. Et des chercheurs de l’Université du Michigan à Ann Arbor ont effectué la caractérisation optique des échantillons.
Exploiter l’effet Hall
Après cette démonstration expérimentale d’un EHA non linéaire d’une ampleur extrêmement grande, M. Tsen espère continuer d’étudier les liens entre cet effet et d’autres propriétés telles que le spin électronique. Des indices montrent déjà que de tels liens existent, ce qui pourrait un jour être utile pour la mise au point de dispositifs d’électronique de spin tels qu’une mémoire vive magnétique.
Mais pour s’en assurer, il faut poursuivre les recherches. C’est exactement ce que Wei Tsen et son équipe comptent faire.
L’article intitulé Giant c-axis nonlinear anomalous Hall effect in Td-MoTe2 and WTe2 (Effet Hall anormal non linéaire géant sur l’axe c dans Td-MoTe2 et WTe2) a été publié le 6 avril 2021 dans Nature Communications. Ces recherches ont été financées par le Fonds d’excellence en recherche Apogée Canada (FERAC), par l’intermédiaire du groupe Technologies quantiques transformatrices, ainsi que par le Bureau de la recherche de l’Armée des États-Unis.
Pour en savoir plus sur l’effet Hall, visionnez la vidéo ci-dessous.