Pesquisadores da Universidade de Tohoku e da Agência Japonesa de Energia Atômica desenvolveram experimentos e teorias fundamentais para manipular a geometria do “universo eletrônico”, que descreve a estrutura dos estados quânticos eletrônicos de uma maneira matematicamente semelhante ao universo real, dentro de um material magnético sob condições ambientais.
A propriedade geométrica investigada – ou seja, a métrica quântica – foi detectada como um sinal elétrico distinto da condução elétrica comum. Esta descoberta revela a ciência quântica fundamental dos elétrons e abre caminho para o projeto de dispositivos spintrônicos inovadores utilizando a condução não convencional emergente da métrica quântica.
Detalhes do estudo foram publicados na revista Física da Natureza em abril 22, 2024.
A condução elétrica, que é crucial para muitos dispositivos, segue a lei de Ohm: uma corrente responde proporcionalmente à tensão aplicada. Mas para criar novos dispositivos, os cientistas tiveram que encontrar um meio de ir além desta lei.
É aqui que entra a mecânica quântica. Uma geometria quântica única conhecida como métrica quântica pode gerar condução não ôhmica. Esta métrica quântica é uma propriedade inerente ao próprio material, sugerindo que é uma característica fundamental da estrutura quântica do material.
O termo “métrica quântica” inspira-se no conceito “métrico” da relatividade geral, que explica como a geometria do universo se distorce sob a influência de forças gravitacionais intensas, como aquelas em torno dos buracos negros. Da mesma forma, na busca pelo projeto de condução não ôhmica dentro dos materiais, compreender e aproveitar a métrica quântica torna-se imperativo.
Esta métrica delineia a geometria do “universo eletrônico”, análoga ao universo físico. Especificamente, o desafio reside na manipulação da estrutura métrica quântica dentro de um único dispositivo e no discernimento do seu impacto na condução elétrica à temperatura ambiente.
A equipe de pesquisa relatou manipulação bem-sucedida da estrutura métrica quântica à temperatura ambiente em uma heteroestrutura de filme fino compreendendo um ímã exótico, Mn3Sn, e um metal pesado, Pt. Mn3Sn exibe textura magnética essencial quando adjacente a Pt, que é drasticamente modulada por um campo magnético aplicado.
A equipe detectou e controlou magneticamente uma condução não ôhmica denominada efeito Hall de segunda ordem, onde a tensão responde ortogonal e quadraticamente à corrente elétrica aplicada. Por meio de modelagem teórica, eles confirmaram que as observações podem ser descritas exclusivamente pela métrica quântica.
“Nosso efeito Hall de segunda ordem surge da estrutura métrica quântica que se acopla à textura magnética específica no Mn3Interface Sn/Pt. Assim, podemos manipular de forma flexível a métrica quântica, modificando a estrutura magnética do material através de abordagens spintrônicas e verificar tal manipulação no controle magnético do efeito Hall de segunda ordem”, explicou Jiahao Han, principal autor deste estudo.
O principal colaborador da análise teórica, Yasufumi Araki, acrescentou: “As previsões teóricas postulam a métrica quântica como um conceito fundamental que conecta as propriedades dos materiais medidas em experimentos às estruturas geométricas estudadas na física matemática. No entanto, confirmar a sua evidência em experiências continua a ser um desafio. Espero que nossa abordagem experimental para acessar a métrica quântica avance em tais estudos teóricos.”
O investigador principal, Shunsuke Fukami, afirmou: “Até agora, acreditava-se que a métrica quântica era inerente e incontrolável, assim como o universo, mas agora precisamos mudar essa percepção. Nossas descobertas, particularmente o controle flexível à temperatura ambiente, podem oferecer novas oportunidades para desenvolver dispositivos funcionais, como retificadores e detectores no futuro.”