Een exotisch fenomeen dat gewoonlijk wordt geassocieerd met hoge magnetische velden, kan worden bereikt zonder een magnetisch veld, volgens theoretische voorspellingen van onderzoekers van A*STAR en de Verenigde Staten. Hun analyse zou de weg kunnen openen naar een nieuw type opto-elektronisch apparaat dat op lange golflengten werkt.

Een geladen deeltje in een elektrisch veld ervaart een kracht die het in de richting van het veld drijft, het creëren van een stroom. Het bewegende deeltje kan ook een kracht ervaren die loodrecht op zijn beweging staat. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren in de aanwezigheid van een magnetisch veld, en kan leiden tot een reeks ongebruikelijke eigenschappen, vooral wanneer de loodrechte component domineert en het elektron een scheef traject begint te volgen. Maar dit zogenaamde Hall-regime vereist vaak grote magnetische velden die onpraktisch zijn voor echte apparaten.

Justin Song van het A*STAR Institute of High Performance Computing, samen met zijn collega Mikhail Kats van de Universiteit van Wisconsin-Madison, hebben theoretisch voorspeld dat een ongebruikelijke beweging van het Hall-type kan worden benut bij kamertemperatuur en zonder een magnetisch veld in een nieuwe klasse van materialen die bekend staat als gapped Dirac-materialen1. "Dirac-materialen zijn halfmetalen vanwege hun materiële symmetrieën, " legt Song uit. "Dirac-materialen met smalle openingen doorbreken deze symmetrieën voorzichtig, het openen van kleine bandgaps."

De door Song en Kats onderzochte alternatieve route naar een Hall-effect is gebaseerd op zogenaamde 'valleien' in deze gapped Dirac-materialen. Een vallei, in de context van de elektronische bandstructuur van een materiaal, is een minimum waarin elektronen zich kunnen nestelen. Als er twee valleien zijn met dezelfde energie, de elektronen in elk van de valleien van gespleten Dirac-materialen hebben contrasterende banen.

Song en Kats maakten gebruik van dit contrast door een onbalans van elektronen in de ene vallei boven de andere te veroorzaken via circulair gepolariseerde lichtverlichting. Ze onthulden een foto-geïnduceerd Hall-effect (Hall-fotogeleiding) waarbij de sterkte sterk wordt bepaald door de golflengte van het licht, met een factor tot een miljoen toenemen bij het overschakelen van zichtbaar licht naar ver infrarood.

Dit betekent dat gapped Dirac-materialen met een kleinere elektronische bandgap, zoals grafeen-boor-nitride heterostructuren, zijn effectiever dan die met een grotere bandgap inclusief molybdeendisulfide.

Dit fenomeen zou nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van nieuwe verre-infrarood- en terahertz-opto-elektronica. "Een bijzonder verleidelijk vooruitzicht is een nieuw type fotodetectorconcept dat de Hall-stroom meet in deze gespleten Dirac-materialen, "zegt Song. "Zo'n fotodetector zou potentieel nul netto donkerstroom kunnen hebben, zelfs met een grote voorspanning."