Forskare vid Tohoku University och Japan Atomic Energy Agency har utvecklat grundläggande experiment och teorier för att manipulera geometrin hos "elektronuniversum", som beskriver strukturen av elektroniska kvanttillstånd på ett sätt som matematiskt liknar det faktiska universum, inom ett magnetiskt material under omgivningsförhållanden.
Den undersökta geometriska egenskapen - dvs kvantmetriken - upptäcktes som en elektrisk signal skild från vanlig elektrisk ledning. Detta genombrott avslöjar den grundläggande kvantvetenskapen om elektroner och banar väg för att designa innovativa spintroniska enheter som använder den okonventionella ledning som kommer från kvantmetriken.
Detaljer om studien publicerades i tidskriften Nature Physics den 22 april 2024.
Elektrisk ledning, som är avgörande för många enheter, följer Ohms lag:en ström svarar proportionellt mot pålagd spänning. Men för att förverkliga nya enheter har forskare varit tvungna att hitta ett sätt att gå bortom denna lag.
Det är här kvantmekaniken kommer in. En unik kvantgeometri känd som kvantmetriken kan generera icke-ohmisk ledning. Detta kvantmått är en egenskap som är inneboende i själva materialet, vilket tyder på att det är en grundläggande egenskap hos materialets kvantstruktur.
Termen "kvantmetrisk" hämtar sin inspiration från det "metriska" konceptet i allmän relativitetsteori, som förklarar hur universums geometri förvrängs under påverkan av intensiva gravitationskrafter, som de runt svarta hål. På liknande sätt, i strävan efter att designa icke-ohmisk ledning i material, blir det absolut nödvändigt att förstå och utnyttja kvantmetriken.
Detta mått avgränsar geometrin för "elektronuniversum", analogt med det fysiska universum. Specifikt ligger utmaningen i att manipulera den kvantmetriska strukturen inom en enda enhet och urskilja dess inverkan på elektrisk ledning vid rumstemperatur.
Forskargruppen rapporterade framgångsrik manipulation av den kvantmetriska strukturen vid rumstemperatur i en tunnfilmsheterostruktur bestående av en exotisk magnet, Mn3 Sn, och en tungmetall, Pt. Mn3 Sn uppvisar väsentlig magnetisk textur när den gränsar till Pt, som är drastiskt modulerad av ett applicerat magnetfält.
Teamet upptäckte och magnetiskt kontrollerade en icke-ohmsk ledning som kallas andra ordningens Hall-effekt, där spänningen reagerar ortogonalt och kvadratiskt på den applicerade elektriska strömmen. Genom teoretisk modellering bekräftade de att observationerna uteslutande kan beskrivas av kvantmetriken.
"Vår andra ordningens Hall-effekt uppstår från den kvantmetriska strukturen som kopplas till den specifika magnetiska texturen vid Mn3 Sn/Pt-gränssnitt. Därför kan vi flexibelt manipulera kvantmetriken genom att modifiera materialets magnetiska struktur genom spintroniska tillvägagångssätt och verifiera sådan manipulation i den magnetiska kontrollen av andra ordningens Hall-effekt," förklarade Jiahao Han, huvudförfattaren till denna studie.
Den främsta bidragsgivaren till den teoretiska analysen, Yasufumi Araki, tillade, "Teoretiska förutsägelser utger kvantmetriken som ett grundläggande koncept som kopplar de materialegenskaper som mäts i experiment med de geometriska strukturerna som studerats i matematisk fysik. Det har dock kvarstått att bekräfta dess bevis i experiment. utmanande Jag hoppas att vårt experimentella tillvägagångssätt för att komma åt kvantmåttet kommer att främja sådana teoretiska studier."
Huvudutredaren Shunsuke Fukami sa:"Tills nu har kvantmetriken ansetts vara inneboende och okontrollerbar, ungefär som universum, men vi måste nu ändra denna uppfattning. Våra resultat, särskilt den flexibla kontrollen vid rumstemperatur, kan erbjuda nya möjligheter att utveckla funktionella enheter som likriktare och detektorer i framtiden."
Mer information: Jiahao Han et al, Rumstemperatur flexibel manipulation av den kvantmetriska strukturen i en topologisk kiral antiferromagnet, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02476-2
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Tohoku University
