قام باحثون في جامعة توهوكو ووكالة الطاقة الذرية اليابانية بتطوير تجارب ونظريات أساسية لمعالجة هندسة "الكون الإلكتروني"، الذي يصف بنية الحالات الكمومية الإلكترونية بطريقة مشابهة رياضيا للكون الفعلي، داخل مادة مغناطيسية تحت الأرض. الظروف المحيطة.
تم اكتشاف الخاصية الهندسية التي تم فحصها - أي القياس الكمي - كإشارة كهربائية متميزة عن التوصيل الكهربائي العادي. يكشف هذا الاختراق عن علم الكم الأساسي للإلكترونات ويمهد الطريق لتصميم أجهزة إلكترونية مبتكرة باستخدام التوصيل غير التقليدي الناشئ عن القياس الكمي.
ونشرت تفاصيل الدراسة في المجلة فيزياء الطبيعة في أبريل 22، 2024.
التوصيل الكهربائي، وهو أمر بالغ الأهمية للعديد من الأجهزة، يتبع قانون أوم: يستجيب التيار بشكل متناسب للجهد المطبق. ولكن لإنتاج أجهزة جديدة، كان على العلماء أن يجدوا وسيلة لتجاوز هذا القانون.
وهنا يأتي دور ميكانيكا الكم. يمكن للهندسة الكمومية الفريدة المعروفة باسم القياس الكمي أن تولد توصيلًا غير أومي. يعد هذا المقياس الكمي خاصية متأصلة في المادة نفسها، مما يشير إلى أنها سمة أساسية للبنية الكمومية للمادة.
ويستمد مصطلح "القياس الكمي" إلهامه من المفهوم "المتري" في النسبية العامة، والذي يفسر كيف تشوه هندسة الكون تحت تأثير قوى الجاذبية الشديدة، مثل تلك الموجودة حول الثقوب السوداء. وبالمثل، في السعي لتصميم التوصيل غير الأومي داخل المواد، يصبح فهم المقياس الكمي وتسخيره أمرًا ضروريًا.
يحدد هذا المقياس هندسة "الكون الإلكتروني"، المشابه للكون المادي. وعلى وجه التحديد، يكمن التحدي في معالجة البنية الكمومية داخل جهاز واحد وتمييز تأثيرها على التوصيل الكهربائي في درجة حرارة الغرفة.
أبلغ فريق البحث عن معالجة ناجحة للبنية الكمومية في درجة حرارة الغرفة في بنية متغايرة رقيقة تحتوي على مغناطيس غريب، Mn.3Sn، والمعادن الثقيلة، حزب العمال. من3يُظهر Sn نسيجًا مغناطيسيًا أساسيًا عندما يكون مجاورًا لـ Pt، والذي يتم تعديله بشكل كبير بواسطة مجال مغناطيسي مطبق.
اكتشف الفريق وتحكم مغناطيسيًا في توصيل غير أومي يسمى تأثير هول من الدرجة الثانية، حيث يستجيب الجهد بشكل متعامد وتربيعي للتيار الكهربائي المطبق. ومن خلال النمذجة النظرية، أكدوا أن الملاحظات يمكن وصفها حصريًا بواسطة المقياس الكمي.
"ينشأ تأثير هول من الدرجة الثانية لدينا من البنية الكمومية التي تتزاوج مع النسيج المغناطيسي المحدد في Mn3واجهة سن/بت. ومن ثم، يمكننا معالجة القياس الكمي بمرونة عن طريق تعديل البنية المغناطيسية للمادة من خلال الأساليب السبينترونية والتحقق من هذا التلاعب في التحكم المغناطيسي لتأثير هول من الدرجة الثانية،" أوضح جياهاو هان، المؤلف الرئيسي لهذه الدراسة.
وأضاف ياسوفومي أراكي، المساهم الرئيسي في التحليل النظري، أن “التنبؤات النظرية تطرح القياس الكمي كمفهوم أساسي يربط خصائص المواد المقاسة في التجارب بالهياكل الهندسية المدروسة في الفيزياء الرياضية. ومع ذلك، ظل تأكيد الأدلة في التجارب أمرًا صعبًا. آمل أن يؤدي نهجنا التجريبي للوصول إلى القياس الكمي إلى تطوير مثل هذه الدراسات النظرية.
قال الباحث الرئيسي شونسوكي فوكامي: “حتى الآن، يُعتقد أن القياس الكمي متأصل ولا يمكن السيطرة عليه، مثل الكون كثيرًا، لكننا الآن بحاجة إلى تغيير هذا التصور. قد توفر النتائج التي توصلنا إليها، وخاصة التحكم المرن في درجة حرارة الغرفة، فرصًا جديدة لتطوير أجهزة وظيفية مثل المقومات والكاشفات في المستقبل.