חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו והסוכנות היפנית לאנרגיה אטומית פיתחו ניסויים ותיאוריות בסיסיות כדי לתמרן את הגיאומטריה של "יקום האלקטרונים", המתאר את המבנה של מצבי קוונטים אלקטרוניים באופן דומה מתמטית ליקום בפועל, בתוך חומר מגנטי תחת תנאי הסביבה.
התכונה הגיאומטרית שנחקרה - כלומר המטרית הקוונטית - זוהתה כאות חשמלי נבדל מהולכה חשמלית רגילה. פריצת דרך זו חושפת את מדע הקוונטים הבסיסי של אלקטרונים וסוללת את הדרך לתכנון התקני ספינטרוניקה חדשניים תוך שימוש בהולכה הלא קונבנציונלית העולה מהמדד הקוונטי.
פרטי המחקר פורסמו בכתב העת פיזיקת טבע באפריל 22, 2024.
הולכה חשמלית, שהיא חיונית עבור מכשירים רבים, פועלת לפי חוק אוהם: זרם מגיב באופן פרופורציונלי למתח המופעל. אבל כדי לממש מכשירים חדשים, מדענים נאלצו למצוא אמצעי לחרוג מהחוק הזה.
כאן נכנסת לתמונה מכניקת הקוונטים. גיאומטריה קוונטית ייחודית הידועה כמטרית הקוונטים יכולה ליצור הולכה לא-אומית. מדד קוונטי זה הוא תכונה הטבועה בחומר עצמו, דבר המצביע על כך שהוא מאפיין בסיסי של המבנה הקוונטי של החומר.
המונח "מטרי קוונטי" שואב את השראתו מהמושג ה"מטרי" בתורת היחסות הכללית, המסביר כיצד הגיאומטריה של היקום מתעוותת בהשפעת כוחות כבידה עזים, כמו אלה סביב חורים שחורים. באופן דומה, בשאיפה לעצב הולכה לא-אומית בתוך חומרים, הבנה ורתימת המדד הקוונטי הופכת הכרחית.
מדד זה משרטט את הגיאומטריה של "יקום האלקטרונים", בדומה ליקום הפיזי. באופן ספציפי, האתגר טמון במניפולציה של המבנה הקוונטי-מטרי בתוך מכשיר בודד ובהבחנת השפעתו על הולכה חשמלית בטמפרטורת החדר.
צוות המחקר דיווח על מניפולציה מוצלחת של המבנה הקוונטי-מטרי בטמפרטורת החדר במבנה הטרו-סרט דק הכולל מגנט אקזוטי, Mn3Sn, ומתכת כבדה, Pt. Mn3Sn מפגין מרקם מגנטי חיוני כאשר הוא צמוד ל-Pt, אשר מאופנן בצורה דרסטית על ידי שדה מגנטי מופעל.
הצוות זיהה ובקרה מגנטית מוליכות לא אוהמית המכונה אפקט הול מסדר שני, שבו המתח מגיב בצורה אורתוגונלית וריבועית לזרם החשמלי המופעל. באמצעות מודלים תיאורטיים, הם אישרו שניתן לתאר את התצפיות באופן בלעדי על ידי המדד הקוונטי.
"אפקט הול מסדר שני שלנו נובע מהמבנה הקוונטי-מטרי שמתחבר עם המרקם המגנטי הספציפי ב-Mn3ממשק Sn/Pt. לפיכך, אנו יכולים לתפעל בצורה גמישה את המדד הקוונטי על ידי שינוי המבנה המגנטי של החומר באמצעות גישות ספינטרוניות ולאמת מניפולציה כזו בשליטה המגנטית של אפקט הול מסדר שני", הסביר Jiahao Han, המחבר הראשי של מחקר זה.
התורם העיקרי לניתוח התיאורטי, יאסופומי עראקי, הוסיף, "תחזיות תיאורטיות מציבות את המטריה הקוונטית כמושג יסודי המחבר את תכונות החומר הנמדדות בניסויים למבנים הגיאומטריים שנלמדו בפיזיקה מתמטית. עם זאת, אישור הראיות שלה בניסויים נותר מאתגר. אני מקווה שהגישה הניסיונית שלנו לגישה למדד הקוונטי תקדם מחקרים תיאורטיים כאלה".
החוקר הראשי Shunsuke Fukami הצהיר, "עד עכשיו, האמינו שהמדד הקוונטי הוא אינהרנטי ובלתי נשלט, בדומה ליקום, אך כעת עלינו לשנות את התפיסה הזו. הממצאים שלנו, במיוחד הבקרה הגמישה בטמפרטורת החדר, עשויים להציע הזדמנויות חדשות לפיתוח מכשירים פונקציונליים כמו מיישרים וגלאים בעתיד."