Para peneliti di Universitas Tohoku dan Badan Energi Atom Jepang telah mengembangkan eksperimen dan teori mendasar untuk memanipulasi geometri “alam semesta elektron”, yang menggambarkan struktur keadaan kuantum elektronik dengan cara yang secara matematis mirip dengan alam semesta sebenarnya, dalam bahan magnetik di bawah kondisi alam semesta. kondisi sekitar.
Properti geometris yang diselidiki—yaitu, metrik kuantum—dideteksi sebagai sinyal listrik yang berbeda dari konduksi listrik biasa. Terobosan ini mengungkap ilmu kuantum mendasar tentang elektron dan membuka jalan bagi perancangan perangkat spintronik inovatif yang memanfaatkan konduksi tidak konvensional yang muncul dari metrik kuantum.
Rincian penelitian dipublikasikan di jurnal Fisika Alam April 22, 2024.
Konduksi listrik, yang penting bagi banyak perangkat, mengikuti hukum Ohm: arus merespons secara proporsional terhadap tegangan yang diberikan. Namun untuk mewujudkan perangkat baru, para ilmuwan harus menemukan cara untuk melampaui hukum ini.
Di sinilah mekanika kuantum berperan. Geometri kuantum unik yang dikenal sebagai metrik kuantum dapat menghasilkan konduksi non-Ohmik. Metrik kuantum ini adalah properti yang melekat pada material itu sendiri, yang menunjukkan bahwa ini adalah karakteristik mendasar dari struktur kuantum material.
Istilah “metrik kuantum” mengambil inspirasi dari konsep “metrik” dalam relativitas umum, yang menjelaskan bagaimana geometri alam semesta terdistorsi di bawah pengaruh gaya gravitasi yang kuat, seperti yang terjadi di sekitar lubang hitam. Demikian pula, dalam upaya merancang konduksi non-Ohmik dalam material, memahami dan memanfaatkan metrik kuantum menjadi suatu keharusan.
Metrik ini menggambarkan geometri “alam semesta elektron”, yang analog dengan alam semesta fisik. Secara khusus, tantangannya terletak pada memanipulasi struktur metrik kuantum dalam satu perangkat dan membedakan dampaknya terhadap konduksi listrik pada suhu kamar.
Tim peneliti melaporkan keberhasilan manipulasi struktur metrik kuantum pada suhu kamar dalam heterostruktur film tipis yang terdiri dari magnet eksotik, Mn3Sn, dan logam berat, Pt. M N3Sn menunjukkan tekstur magnetik penting ketika berdekatan dengan Pt, yang dimodulasi secara drastis oleh medan magnet yang diterapkan.
Tim mendeteksi dan mengendalikan konduksi non-Ohmik secara magnetis yang disebut efek Hall orde kedua, di mana tegangan merespons secara ortogonal dan kuadrat terhadap arus listrik yang diberikan. Melalui pemodelan teoretis, mereka memastikan bahwa observasi hanya dapat dijelaskan dengan metrik kuantum.
“Efek Hall orde kedua kami muncul dari struktur metrik kuantum yang digabungkan dengan tekstur magnetik spesifik di Mn3Antarmuka Sn/Pt. Oleh karena itu, kita dapat secara fleksibel memanipulasi metrik kuantum dengan memodifikasi struktur magnetik material melalui pendekatan spintronik dan memverifikasi manipulasi tersebut dalam kontrol magnetik efek Hall orde kedua,” jelas Jiahao Han, penulis utama studi ini.
Kontributor utama analisis teoretis, Yasufumi Araki, menambahkan, “Prediksi teoretis menempatkan metrik kuantum sebagai konsep dasar yang menghubungkan sifat material yang diukur dalam eksperimen dengan struktur geometris yang dipelajari dalam fisika matematika. Namun, mengkonfirmasi bukti-bukti dalam eksperimen masih merupakan tantangan. Saya berharap pendekatan eksperimental kami untuk mengakses metrik kuantum akan memajukan studi teoritis tersebut.”
Peneliti utama Shunsuke Fukami menyatakan, “Sampai saat ini, metrik kuantum diyakini melekat dan tidak dapat dikendalikan, seperti halnya alam semesta, namun kita sekarang perlu mengubah persepsi ini. Temuan kami, khususnya kontrol fleksibel pada suhu kamar, mungkin menawarkan peluang baru untuk mengembangkan perangkat fungsional seperti penyearah dan detektor di masa depan.”