Penyelidik di Universiti Tohoku dan Agensi Tenaga Atom Jepun telah membangunkan eksperimen dan teori asas untuk memanipulasi geometri "alam semesta elektron", yang menerangkan struktur keadaan kuantum elektronik dengan cara yang serupa secara matematik dengan alam semesta sebenar, dalam bahan magnet di bawah keadaan persekitaran.
Sifat geometri yang disiasat—iaitu, metrik kuantum—dikesan sebagai isyarat elektrik yang berbeza daripada pengaliran elektrik biasa. Kejayaan ini mendedahkan sains kuantum asas elektron dan membuka jalan untuk mereka bentuk peranti spintronik yang inovatif menggunakan pengaliran tidak konvensional yang muncul daripada metrik kuantum.
Butiran kajian diterbitkan dalam jurnal Fizik Alam April 22, 2024.
Pengaliran elektrik, yang penting untuk banyak peranti, mengikut undang-undang Ohm: arus bertindak balas secara berkadar kepada voltan yang dikenakan. Tetapi untuk merealisasikan peranti baharu, saintis terpaksa mencari cara untuk melangkaui undang-undang ini.
Di sinilah mekanik kuantum masuk. Geometri kuantum unik yang dikenali sebagai metrik kuantum boleh menjana pengaliran bukan Ohmik. Metrik kuantum ini ialah sifat yang wujud pada bahan itu sendiri, menunjukkan bahawa ia adalah ciri asas struktur kuantum bahan.
Istilah "metrik kuantum" mendapat inspirasi daripada konsep "metrik" dalam relativiti umum, yang menerangkan bagaimana geometri alam semesta diherotkan di bawah pengaruh daya graviti yang kuat, seperti yang terdapat di sekitar lubang hitam. Begitu juga, dalam usaha mereka bentuk pengaliran bukan Ohmik dalam bahan, memahami dan memanfaatkan metrik kuantum menjadi penting.
Metrik ini menggambarkan geometri "alam semesta elektron," yang serupa dengan alam semesta fizikal. Secara khusus, cabarannya terletak pada memanipulasi struktur kuantum-metrik dalam satu peranti dan membezakan kesannya terhadap pengaliran elektrik pada suhu bilik.
Pasukan penyelidik melaporkan kejayaan manipulasi struktur kuantum-metrik pada suhu bilik dalam heterostruktur filem nipis yang terdiri daripada magnet eksotik, Mn3Sn, dan logam berat, Pt. Mn3Sn mempamerkan tekstur magnet penting apabila bersebelahan dengan Pt, yang dimodulasi secara drastik oleh medan magnet yang digunakan.
Pasukan itu mengesan dan mengawal pengaliran bukan Ohmik secara magnetik yang dipanggil kesan Hall tertib kedua, di mana voltan bertindak balas secara ortogon dan kuadratik kepada arus elektrik yang digunakan. Melalui pemodelan teori, mereka mengesahkan bahawa pemerhatian boleh diterangkan secara eksklusif oleh metrik kuantum.
"Kesan Hall tertib kedua kami timbul daripada struktur kuantum-metrik yang digabungkan dengan tekstur magnet khusus di Mn.3Antara muka Sn/Pt. Oleh itu, kita boleh memanipulasi metrik kuantum secara fleksibel dengan mengubah suai struktur magnet bahan melalui pendekatan spintronik dan mengesahkan manipulasi sedemikian dalam kawalan magnet kesan Dewan tertib kedua, "jelas Jiahao Han, pengarang utama kajian ini.
Penyumbang utama kepada analisis teori, Yasufumi Araki, menambah, "Ramalan teori meletakkan metrik kuantum sebagai konsep asas yang menghubungkan sifat bahan yang diukur dalam eksperimen dengan struktur geometri yang dikaji dalam fizik matematik. Walau bagaimanapun, mengesahkan buktinya dalam eksperimen kekal mencabar. Saya berharap pendekatan eksperimen kami untuk mengakses metrik kuantum akan memajukan kajian teori seperti itu."
Penyiasat utama Shunsuke Fukami menyatakan, "Sehingga kini, metrik kuantum telah dipercayai wujud dan tidak terkawal, sama seperti alam semesta, tetapi kita kini perlu mengubah persepsi ini. Penemuan kami, terutamanya kawalan fleksibel pada suhu bilik, mungkin menawarkan peluang baharu untuk membangunkan peranti berfungsi seperti penerus dan pengesan pada masa hadapan.”