Manipuler la géométrie de « l'univers électronique » dans les aimants

Gauche : mouvement de la lumière dans un fort champ gravitationnel dans l’univers. Milieu : conduction non ohmique résultant d’une structure quantique non triviale de « l’univers électronique », qui est accordable via la texture magnétique du Mn₃Sn et conduit à un effet Hall du second ordre. À droite : conduction ohmique conventionnelle accompagnée d’une structure quantique-métrique triviale. Crédits : Jiahao Han, Yasufumi Araki et Shunsuke Fukami

Des chercheurs de l’Université du Tohoku et de l’Agence japonaise de l’énergie atomique ont développé des expériences et des théories fondamentales pour manipuler la géométrie de « l’univers électronique », qui décrit la structure des états quantiques électroniques d’une manière mathématiquement similaire à l’univers réel, au sein d’un matériau magnétique sous conditions ambiantes.

La propriété géométrique étudiée, c'est-à-dire la métrique quantique, a été détectée comme un signal électrique distinct de la conduction électrique ordinaire. Cette avancée révèle la science quantique fondamentale des électrons et ouvre la voie à la conception de dispositifs spintroniques innovants utilisant la conduction non conventionnelle issue de la métrique quantique.

Les détails de l'étude ont été publiés dans la revue Physique de la nature sur Avril 22, 2024.

La conduction électrique, cruciale pour de nombreux appareils, suit la loi d'Ohm : un courant réagit proportionnellement à la tension appliquée. Mais pour réaliser de nouveaux dispositifs, les scientifiques ont dû trouver un moyen d’aller au-delà de cette loi.

C’est ici qu’intervient la mécanique quantique. Une géométrie quantique unique connue sous le nom de métrique quantique peut générer une conduction non ohmique. Cette métrique quantique est une propriété inhérente au matériau lui-même, ce qui suggère qu'il s'agit d'une caractéristique fondamentale de la structure quantique du matériau.

Le terme « métrique quantique » s’inspire du concept « métrique » de la relativité générale, qui explique comment la géométrie de l’univers se déforme sous l’influence de forces gravitationnelles intenses, comme celles autour des trous noirs. De même, dans la poursuite de la conception d’une conduction non ohmique au sein des matériaux, il devient impératif de comprendre et d’exploiter la métrique quantique.

Cette métrique délimite la géométrie de « l’univers électronique », analogue à l’univers physique. Plus précisément, le défi consiste à manipuler la structure métrique quantique au sein d’un seul dispositif et à discerner son impact sur la conduction électrique à température ambiante.

Dans un dispositif Hall Bar de Mn₃Sn/Pt sous un champ magnétique H (à gauche), l'effet Hall du second ordre est obtenu à partir de l'expérience et de la modélisation théorique basée sur la métrique quantique (à droite). Crédits : Jiahao Han, Yasufumi Araki et Shunsuke Fukami

L'équipe de recherche a rapporté une manipulation réussie de la structure quantique métrique à température ambiante dans une hétérostructure en couche mince comprenant un aimant exotique, Mn.₃Sn, et un heavy metal, Pt. Mn₃Sn présente une texture magnétique essentielle lorsqu'il est adjacent à Pt, qui est considérablement modulée par un champ magnétique appliqué.

L’équipe a détecté et contrôlé magnétiquement une conduction non ohmique appelée effet Hall du deuxième ordre, dans laquelle la tension répond de manière orthogonale et quadratique au courant électrique appliqué. Grâce à une modélisation théorique, ils ont confirmé que les observations peuvent être exclusivement décrites par la métrique quantique.

"Notre effet Hall du second ordre résulte de la structure quantique métrique qui se couple à la texture magnétique spécifique du Mn.₃Interface Sn/Pt. Par conséquent, nous pouvons manipuler de manière flexible la métrique quantique en modifiant la structure magnétique du matériau grâce à des approches spintroniques et vérifier une telle manipulation dans le contrôle magnétique de l’effet Hall du second ordre », a expliqué Jiahao Han, l’auteur principal de cette étude.

Le principal contributeur à l’analyse théorique, Yasufumi Araki, a ajouté : « Les prédictions théoriques postulent la métrique quantique comme un concept fondamental qui relie les propriétés des matériaux mesurées expérimentalement aux structures géométriques étudiées en physique mathématique. Cependant, confirmer ses preuves expérimentalement reste un défi. J’espère que notre approche expérimentale pour accéder à la métrique quantique fera progresser ces études théoriques.

Le chercheur principal Shunsuke Fukami a déclaré : « Jusqu'à présent, on croyait que la métrique quantique était inhérente et incontrôlable, tout comme l'univers, mais nous devons maintenant changer cette perception. Nos découvertes, en particulier le contrôle flexible à température ambiante, pourraient offrir de nouvelles opportunités pour développer à l’avenir des dispositifs fonctionnels tels que des redresseurs et des détecteurs.