Investigadores de la Universidad de Tohoku y la Agencia de Energía Atómica de Japón han desarrollado experimentos y teorías fundamentales para manipular la geometría del "universo electrónico", que describe la estructura de los estados cuánticos electrónicos de una manera matemáticamente similar al universo real, dentro de un material magnético bajo condiciones ambientales.
La propiedad geométrica investigada (es decir, la métrica cuántica) se detectó como una señal eléctrica distinta de la conducción eléctrica ordinaria. Este avance revela la ciencia cuántica fundamental de los electrones y allana el camino para diseñar dispositivos espintrónicos innovadores que utilicen la conducción no convencional que surge de la métrica cuántica.
Los detalles del estudio fueron publicados en la revista. Física de la naturaleza de abril 22, 2024.
La conducción eléctrica, que es crucial para muchos dispositivos, sigue la ley de Ohm: una corriente responde proporcionalmente al voltaje aplicado. Pero para crear nuevos dispositivos, los científicos han tenido que encontrar una manera de ir más allá de esta ley.
Aquí es donde entra en juego la mecánica cuántica. Una geometría cuántica única conocida como métrica cuántica puede generar conducción no óhmica. Esta métrica cuántica es una propiedad inherente al propio material, lo que sugiere que es una característica fundamental de la estructura cuántica del material.
El término “métrica cuántica” se inspira en el concepto “métrico” de la relatividad general, que explica cómo la geometría del universo se distorsiona bajo la influencia de intensas fuerzas gravitacionales, como las que rodean los agujeros negros. De manera similar, en la búsqueda del diseño de conducción no óhmica dentro de materiales, se vuelve imperativo comprender y aprovechar la métrica cuántica.
Esta métrica delinea la geometría del "universo electrónico", análogo al universo físico. Específicamente, el desafío radica en manipular la estructura cuántica-métrica dentro de un solo dispositivo y discernir su impacto en la conducción eléctrica a temperatura ambiente.
El equipo de investigación informó sobre la manipulación exitosa de la estructura cuántica-métrica a temperatura ambiente en una heteroestructura de película delgada que comprende un imán exótico, Mn.3Sn, y un heavy metal, pt. Minnesota3El Sn exhibe una textura magnética esencial cuando es adyacente al Pt, que es drásticamente modulado por un campo magnético aplicado.
El equipo detectó y controló magnéticamente una conducción no óhmica denominada efecto Hall de segundo orden, donde el voltaje responde de forma ortogonal y cuadrática a la corriente eléctrica aplicada. Mediante modelos teóricos, confirmaron que las observaciones pueden describirse exclusivamente mediante la métrica cuántica.
“Nuestro efecto Hall de segundo orden surge de la estructura cuántica-métrica que se acopla con la textura magnética específica en el Mn3Interfaz Sn/Pt. Por lo tanto, podemos manipular de manera flexible la métrica cuántica modificando la estructura magnética del material mediante enfoques espintrónicos y verificar dicha manipulación en el control magnético del efecto Hall de segundo orden”, explicó Jiahao Han, autor principal de este estudio.
El principal colaborador del análisis teórico, Yasufumi Araki, añadió: “Las predicciones teóricas postulan la métrica cuántica como un concepto fundamental que conecta las propiedades materiales medidas en experimentos con las estructuras geométricas estudiadas en la física matemática. Sin embargo, confirmar su evidencia en experimentos sigue siendo un desafío. Espero que nuestro enfoque experimental para acceder a la métrica cuántica impulse dichos estudios teóricos”.
El investigador principal Shunsuke Fukami afirmó: “Hasta ahora, se creía que la métrica cuántica era inherente e incontrolable, muy parecida al universo, pero ahora necesitamos cambiar esta percepción. Nuestros hallazgos, en particular el control flexible a temperatura ambiente, pueden ofrecer nuevas oportunidades para desarrollar dispositivos funcionales como rectificadores y detectores en el futuro”.