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Un nouvel effet Hall thermique en spintronique

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Un groupe de chercheurs japonais a mis en évidence un nouvel avatar de l'effet Hall thermique, cette fois dans le domaine de la spintronique. À la place des électrons de l'effet Hall classique, ce sont des excitations collectives appelées « magnons » qui interviendraient dans ce phénomène.

Le physicien Edwin Herbert Hall (1855-1938). © Domaine public

Phénomène physique bien connu, l'effet Hall classique est mis à profit pour réaliser des capteurs de champs magnétiques. On les trouve par exemple sous les touches des claviers d'instruments de musique électroniques (orgues, synthétiseurs...), où ils évitent l'usure que subissent les contacteurs traditionnels. Ce phénomène physique est aussi à la base des propulseurs à effet Hall équipant plusieurs satellites. Dans ce domaine, l'une des applications les plus célèbres a été la sonde européenne Smart 1.

Rappelons que l'effet Hall classique a été découvert en 1879 par le physicien Edwin Herbert Hall. Il s'agit de l'apparition, dans les matériaux conducteurs et semi-conducteurs parcourus par un courant, d'une différence de potentiel entre deux faces opposées lorsqu'on les soumet à un champ magnétique perpendiculaire au courant. Notons qu'on a découvert plus tard un effet Hall quantique.

Un effet Hall thermique anormal

Une variante de ce phénomène (parmi plusieurs) est l'effet Hall thermique ou encore effet Maggi-Righi-Leduc. Il se manifeste par un gradient thermique entre les deux faces d'un conducteur et non d'une différence de potentiel. Un cas particulier de l'effet Hall thermique, se produisant dans un isolant ferromagnétique, a été découvert par un groupe de chercheurs japonais. Comme ces physiciens l'expliquent dans un article de Science, il s'agit même d'un effet Hall thermique anormal (il dépend aussi de l'aimantation du matériau).

L'intérêt de cette découverte vient de sa connexion avec la spintronique. On attend beaucoup de cette nouvelle discipline, qui renouvelle l'électronique, en ce que l'on cherche à y manipuler les électrons non seulement avec leur charge mais surtout avec leur moment cinétique intrinsèque : le spin. En France, l'un des meilleurs spécialistes de cette électronique de l'avenir est sans conteste le prix Nobel de physique Albert Fert.

Selon Hosho Katsura, l'un des auteurs de la découverte : « Beaucoup de gens s'intéressent maintenant à la spintronique parce que vous pouvez y contrôler le spin des électrons. Jusqu'à présent, les courants de charges ont été utilisés dans tous les appareils électroniques, car ils sont faciles à contrôler. Mais un courant de charges génère de la chaleur, ce qui constitue un obstacle au développement de certaines technologies. Si bien que les gens veulent maintenant créer et contrôler des courants de spin. Habituellement, on considère des systèmes avec des semi-conducteurs. Ici, nous travaillons avec un système complètement différent, nous utilisons des aimants isolants. C'est une nouvelle façon d'étudier la spintronique ».

L'isolant où l'effet Hall thermique se manifeste est de formule Lu2V2O7. Selon les chercheurs, le gradient thermique, avec apparition d'une différence de température entre deux faces, trouverait son explication grâce aux magnons pouvant se propager dans ce matériau ferromagnétique.

Une représentation schématique de l'effet Hall dans un ferromagnétique (jaune). Un magnon (rouge) – une zone mobile localisée dans laquelle les spins (flèches) pointent dans une direction différente de celle dans le reste du matériau – est dévié vers le haut sous l'action d'un champ magnétique © AAAS

Mais que sont les magnons ?

Dans un matériau ferromagnétique comme celui considéré par les chercheurs japonais, il existe une distribution de moments cinétiques liés à ses atomes et que l'on peut représenter sous forme d'une série de flèches qui peuvent s'aligner parallèlement à un champ magnétique extérieur. Il peut s'y produire des ondes de spins, c'est-à-dire des perturbations qui font basculer l'orientation de ces flèches.

Tout comme les phonons acoustiques sont des quanta des ondes sonores se propageant dans un cristal, des perturbations de ce genre doivent posséder un aspect corpusculaire selon les lois de la mécanique quantique. Comme les ondes de spin dans un matériau magnétique sont liées à son aimantation, on ne sera pas surpris du nom que l'on donne aux quasi particules associées à ces ondes : des magnons.

À l'instar des phonons, les magnons sont neutres mais ils peuvent servir à transporter de la chaleur. Comme les phonons peuvent aussi donner lieu à un effet Hall thermique, les physiciens ont dû départager les deux explications possibles. Il reste tout de même une incertitude qui pourrait être levée en considérant d'autres isolants ferromagnétiques avec une structure cristalline différente.

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