東北大学と日本原子力研究開発機構の研究者らは、磁性材料内で実際の宇宙と数学的に同様の方法で電子量子状態の構造を記述する「電子宇宙」の幾何学を操作するための基礎的な実験と理論を開発した。周囲条件。
研究された幾何学的特性、つまり量子計量は、通常の電気伝導とは異なる電気信号として検出されました。このブレークスルーは、電子の基本的な量子科学を明らかにし、量子計量から現れる型破りな伝導を利用した革新的なスピントロニクスデバイスの設計への道を開きます。
研究の詳細は雑誌に掲載されました 自然物理学 4月22、2024に。
多くのデバイスにとって重要な電気伝導は、電流が印加電圧に比例して反応するというオームの法則に従います。しかし、新しいデバイスを実現するには、科学者はこの法則を超える手段を見つける必要がありました。
ここで量子力学が登場します。量子計量として知られる独特の量子幾何学により、非オーミック伝導が生成されます。この量子計量は材料自体に固有の特性であり、それが材料の量子構造の基本的な特性であることを示唆しています。
「量子計量」という用語は、一般相対性理論における「計量」の概念からインスピレーションを得ており、ブラック ホールの周囲などの強力な重力の影響で宇宙の幾何学形状がどのように歪むかを説明します。同様に、材料内の非オーム伝導の設計を追求するには、量子計量を理解し、利用することが不可欠になります。
この尺度は、物理宇宙に似た「電子宇宙」の幾何学構造を表します。具体的には、単一デバイス内の量子構造を操作し、室温での電気伝導に対するその影響を識別することが課題となります。
研究チームは、エキゾチックな磁石であるマンガンを含む薄膜ヘテロ構造において、室温での量子構造の操作に成功したと報告した。3Snと重金属のPt。ん3Sn は、Pt に隣接すると必須の磁気組織を示し、印加された磁場によって大幅に変調されます。
研究チームは、電圧が印加電流に対して直交かつ二次関数的に応答する、二次ホール効果と呼ばれる非オーム伝導を検出し、磁気的に制御しました。彼らは、理論モデリングを通じて、観測結果が量子計量によって排他的に記述できることを確認しました。
「私たちの二次ホール効果は、マンガンの特定の磁性組織と結合する量子構造から生じます。3Sn/Pt界面。したがって、スピントロニクスアプローチを通じて材料の磁気構造を変更することで量子計量を柔軟に操作し、二次ホール効果の磁気制御におけるそのような操作を検証することができます」とこの研究の筆頭著者であるJiahao Han氏は説明した。
理論解析の主な寄稿者である荒木泰文氏は次のように付け加えています。「理論的予測では、実験で測定された材料特性を数理物理学で研究される幾何学的構造に結び付ける基本的な概念として量子計量が仮定されています。しかし、実験でその証拠を確認することは依然として困難です。量子計量にアクセスするための私たちの実験的アプローチが、そのような理論的研究を前進させることを願っています。」
主任研究員の深見俊介氏は「量子計量はこれまで宇宙のように固有で制御できないものと考えられてきたが、これからはその認識を変える必要がある」と述べた。私たちの発見、特に室温での柔軟な制御は、将来、整流器や検出器などの機能デバイスを開発する新たな機会を提供する可能性があります。」