Onderzoekers van de Tohoku Universiteit en de Japan Atomic Energy Agency hebben fundamentele experimenten en theorieën ontwikkeld om de geometrie van het ‘elektronenuniversum’ te manipuleren, dat de structuur van elektronische kwantumtoestanden beschrijft op een manier die wiskundig vergelijkbaar is met het werkelijke universum, binnen een magnetisch materiaal onder omgevingsomstandigheden.
De onderzochte geometrische eigenschap, dat wil zeggen de kwantummetriek, werd gedetecteerd als een elektrisch signaal dat zich onderscheidde van gewone elektrische geleiding. Deze doorbraak onthult de fundamentele kwantumwetenschap van elektronen en maakt de weg vrij voor het ontwerpen van innovatieve spintronische apparaten die gebruik maken van de onconventionele geleiding die voortkomt uit de kwantummetriek.
Details van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica april 22, 2024.
Elektrische geleiding, die cruciaal is voor veel apparaten, volgt de wet van Ohm: een stroom reageert proportioneel op de aangelegde spanning. Maar om nieuwe apparaten te realiseren, moesten wetenschappers een manier vinden om verder te gaan dan deze wet.
Hier komt de kwantummechanica in beeld. Een unieke kwantumgeometrie, bekend als de kwantummetriek, kan niet-ohmse geleiding genereren. Deze kwantummetriek is een eigenschap die inherent is aan het materiaal zelf, wat erop wijst dat het een fundamenteel kenmerk is van de kwantumstructuur van het materiaal.
De term ‘kwantummetriek’ is geïnspireerd op het ‘metrische’ concept uit de algemene relativiteitstheorie, dat verklaart hoe de geometrie van het universum vervormt onder invloed van intense zwaartekrachten, zoals die rond zwarte gaten. Op dezelfde manier wordt het begrijpen en benutten van de kwantummetriek absoluut noodzakelijk bij het streven naar het ontwerpen van niet-ohmse geleiding in materialen.
Deze metriek schetst de geometrie van het ‘elektronenuniversum’, analoog aan het fysieke universum. Concreet ligt de uitdaging in het manipuleren van de kwantummetrische structuur binnen een enkel apparaat en het onderscheiden van de impact ervan op elektrische geleiding bij kamertemperatuur.
Het onderzoeksteam rapporteerde succesvolle manipulatie van de kwantummetrische structuur bij kamertemperatuur in een dunne-film heterostructuur bestaande uit een exotische magneet, Mn3Sn, en een zwaar metaal, Pt. Mn3Sn vertoont een essentiële magnetische textuur wanneer hij grenst aan Pt, die drastisch wordt gemoduleerd door een aangelegd magnetisch veld.
Het team detecteerde en bestuurde magnetisch een niet-ohmse geleiding, het zogenaamde Hall-effect van de tweede orde, waarbij de spanning orthogonaal en kwadratisch reageert op de aangelegde elektrische stroom. Door middel van theoretische modellering bevestigden ze dat de waarnemingen uitsluitend kunnen worden beschreven door de kwantummetriek.
“Ons tweede-orde Hall-effect komt voort uit de kwantummetrische structuur die koppelt aan de specifieke magnetische textuur op de Mn3Sn/Pt-interface. Daarom kunnen we de kwantummetriek flexibel manipuleren door de magnetische structuur van het materiaal te wijzigen door middel van spintronische benaderingen en dergelijke manipulatie te verifiëren in de magnetische controle van het tweede-orde Hall-effect”, legt Jiahao Han, de hoofdauteur van deze studie, uit.
De belangrijkste bijdrager aan de theoretische analyse, Yasufumi Araki, voegde hieraan toe: “Theoretische voorspellingen poneren de kwantummetriek als een fundamenteel concept dat de materiaaleigenschappen die in experimenten worden gemeten, verbindt met de geometrische structuren die in de wiskundige natuurkunde worden bestudeerd. Het bevestigen van het bewijsmateriaal in experimenten blijft echter een uitdaging. Ik hoop dat onze experimentele benadering om toegang te krijgen tot de kwantummetrie dergelijke theoretische studies zal bevorderen.”
Hoofdonderzoeker Shunsuke Fukami verklaarde: “Tot nu toe werd aangenomen dat de kwantummetrie inherent en oncontroleerbaar was, net als het universum, maar we moeten deze perceptie nu veranderen. Onze bevindingen, met name de flexibele regeling bij kamertemperatuur, kunnen in de toekomst nieuwe mogelijkheden bieden om functionele apparaten zoals gelijkrichters en detectoren te ontwikkelen.”