Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tohoku và Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản đã phát triển các thí nghiệm và lý thuyết cơ bản để điều khiển hình học của “vũ trụ điện tử”, mô tả cấu trúc của các trạng thái lượng tử điện tử theo cách tương tự về mặt toán học với vũ trụ thực tế, bên trong một vật liệu từ tính. điều kiện môi trường xung quanh.
Thuộc tính hình học được nghiên cứu—tức là thước đo lượng tử—được phát hiện dưới dạng tín hiệu điện khác với sự dẫn điện thông thường. Bước đột phá này tiết lộ khoa học lượng tử cơ bản về điện tử và mở đường cho việc thiết kế các thiết bị điện tử spin cải tiến sử dụng sự dẫn truyền độc đáo xuất hiện từ số liệu lượng tử.
Chi tiết nghiên cứu được công bố trên tạp chí Vật lý tự nhiên vào ngày 22, 2024.
Sự dẫn điện, rất quan trọng đối với nhiều thiết bị, tuân theo định luật Ohm: dòng điện phản ứng tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào. Nhưng để tạo ra những thiết bị mới, các nhà khoa học đã phải tìm ra phương pháp vượt ra ngoài định luật này.
Đây là lúc cơ học lượng tử phát huy tác dụng. Một dạng hình học lượng tử độc đáo được gọi là số liệu lượng tử có thể tạo ra sự dẫn điện không Ohmic. Số liệu lượng tử này là một đặc tính vốn có của chính vật liệu, cho thấy rằng đó là đặc tính cơ bản của cấu trúc lượng tử của vật liệu.
Thuật ngữ “số liệu lượng tử” lấy cảm hứng từ khái niệm “số liệu” trong thuyết tương đối rộng, giải thích hình dạng của vũ trụ bị biến dạng như thế nào dưới tác động của lực hấp dẫn cực mạnh, chẳng hạn như các lực xung quanh lỗ đen. Tương tự, khi theo đuổi việc thiết kế sự dẫn điện không Ohmic trong vật liệu, việc hiểu và khai thác số liệu lượng tử trở nên cấp thiết.
Số liệu này mô tả hình học của “vũ trụ điện tử”, tương tự như vũ trụ vật lý. Cụ thể, thách thức nằm ở việc điều khiển cấu trúc lượng tử trong một thiết bị duy nhất và nhận biết tác động của nó đến sự dẫn điện ở nhiệt độ phòng.
Nhóm nghiên cứu đã báo cáo việc thao tác thành công cấu trúc lượng tử ở nhiệt độ phòng trong cấu trúc dị thể màng mỏng bao gồm một nam châm kỳ lạ, Mn3Sn và kim loại nặng Pt. Mn3Sn thể hiện kết cấu từ tính thiết yếu khi ở gần Pt, được điều chế mạnh mẽ bởi từ trường ứng dụng.
Đội nghiên cứu đã phát hiện và điều khiển từ tính một sự dẫn truyền không Ohmic gọi là hiệu ứng Hall bậc hai, trong đó điện áp phản ứng trực giao và bậc hai với dòng điện đặt vào. Thông qua mô hình lý thuyết, họ xác nhận rằng các quan sát có thể được mô tả riêng bằng số liệu lượng tử.
“Hiệu ứng Hall bậc hai của chúng tôi phát sinh từ cấu trúc số liệu lượng tử kết hợp với kết cấu từ tính cụ thể tại Mn3Giao diện Sn/Pt. Do đó, chúng ta có thể điều khiển linh hoạt số liệu lượng tử bằng cách sửa đổi cấu trúc từ tính của vật liệu thông qua các phương pháp điện tử spin và xác minh thao tác đó trong điều khiển từ tính của hiệu ứng Hall bậc hai”, Jiahao Han, tác giả chính của nghiên cứu này giải thích.
Người đóng góp chính cho phân tích lý thuyết, Yasufumi Araki, nói thêm: “Các dự đoán lý thuyết thừa nhận số liệu lượng tử là một khái niệm cơ bản kết nối các tính chất vật liệu được đo trong thí nghiệm với các cấu trúc hình học được nghiên cứu trong vật lý toán học. Tuy nhiên, việc xác nhận bằng chứng của nó trong các thí nghiệm vẫn còn nhiều thách thức. Tôi hy vọng rằng phương pháp thử nghiệm của chúng tôi để tiếp cận số liệu lượng tử sẽ thúc đẩy các nghiên cứu lý thuyết như vậy.”
Điều tra viên chính Shunsuke Fukami cho biết: “Cho đến nay, số liệu lượng tử được cho là vốn có và không thể kiểm soát được, giống như vũ trụ, nhưng giờ đây chúng ta cần thay đổi nhận thức này. Những phát hiện của chúng tôi, đặc biệt là khả năng điều khiển linh hoạt ở nhiệt độ phòng, có thể mang đến những cơ hội mới để phát triển các thiết bị chức năng như bộ chỉnh lưu và máy dò trong tương lai.”