Manipulation der Geometrie des „elektronischen Universums“ in Magneten

Forscher der Tohoku-Universität und der Japan Atomic Energy Agency haben grundlegende Experimente und Theorien entwickelt, um die Geometrie des „elektronischen Universums“ zu manipulieren, das die Struktur elektronischer Quantenzustände beschreibt, die mathematisch dem realen Universum in einem magnetischen Material ähneln Umgebungsbedingungen.

Die untersuchte geometrische Eigenschaft, also die Quantenmetrik, wurde als elektrisches Signal erkannt, das sich von der gewöhnlichen elektrischen Leitung unterscheidet. Dieser Fortschritt enthüllt die grundlegende Quantenwissenschaft der Elektronen und ebnet den Weg für den Entwurf innovativer spintronischer Geräte, die unkonventionelle Leitung aus Quantenmetriken nutzen.

Details der Studie wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Physik am 22. April 2024.

Die für viele Geräte entscheidende elektrische Leitung folgt dem Ohmschen Gesetz: Ein Strom reagiert proportional auf die angelegte Spannung. Doch um neue Geräte zu entwickeln, mussten Wissenschaftler einen Weg finden, über dieses Gesetz hinauszugehen.

Hier kommt die Quantenmechanik ins Spiel. Eine einzigartige Quantengeometrie, bekannt als Quantenmetrik, kann nicht-ohmsche Leitung erzeugen. Diese Quantenmetrik ist eine inhärente Eigenschaft des Materials selbst, was darauf hindeutet, dass sie ein grundlegendes Merkmal der Quantenstruktur des Materials ist.

Der Begriff „Quantenmetrik“ ist vom „metrischen“ Konzept der Allgemeinen Relativitätstheorie inspiriert, das erklärt, wie sich die Geometrie des Universums unter dem Einfluss intensiver Gravitationskräfte, wie sie beispielsweise um Schwarze Löcher herum auftreten, verzerrt. Ebenso ist es bei der Entwicklung der nicht-ohmschen Leitung in Materialien unerlässlich, Quantenmetriken zu verstehen und zu nutzen.

Diese Metrik begrenzt die Geometrie des „elektronischen Universums“, analog zum physikalischen Universum. Die Herausforderung besteht insbesondere darin, die quantenmetrische Struktur innerhalb eines einzelnen Geräts zu manipulieren und ihren Einfluss auf die elektrische Leitung bei Raumtemperatur zu erkennen.

Das Forschungsteam berichtete über eine erfolgreiche Manipulation der metrischen Quantenstruktur bei Raumtemperatur in einer Dünnfilm-Heterostruktur, die einen exotischen Magneten, Mn, umfasst.₃Sn und ein Schwermetall, Pt₃Sn weist in der Nähe von Pt eine wesentliche magnetische Textur auf, die durch ein angelegtes Magnetfeld erheblich moduliert wird.

Das Team entdeckte und überwachte magnetisch die nicht-ohmsche Leitung, den sogenannten Hall-Effekt zweiter Ordnung, bei dem die Spannung orthogonal und quadratisch auf den angelegten elektrischen Strom reagiert. Durch theoretische Modellierung bestätigten sie, dass die Beobachtungen ausschließlich durch Quantenmetriken beschrieben werden können.

„Unser Hall-Effekt zweiter Ordnung entsteht aus der metrischen Quantenstruktur, die an die spezifische magnetische Textur von Mn gekoppelt ist.“₃Sn/Pt-Schnittstelle. Daher können wir die Quantenmetrik flexibel manipulieren, indem wir die magnetische Struktur des Materials durch spintronische Ansätze verändern und eine solche Manipulation in der magnetischen Kontrolle des Hall-Effekts zweiter Ordnung verifizieren“, erklärte Jiahao Han, der Hauptautor dieser Studie.

Hauptautor der theoretischen Analyse, Yasufumi Araki, fügte hinzu: „Theoretische Vorhersagen postulieren die Quantenmetrik als ein grundlegendes Konzept, das experimentell gemessene Materialeigenschaften mit geometrischen Strukturen in Beziehung setzt, die in der mathematischen Physik untersucht werden.“ schwierig. Ich hoffe, dass unser experimenteller Ansatz zum Zugang zu Quantenmetriken diese theoretischen Studien voranbringen wird.

Der leitende Forscher Shunsuke Fukami sagte: „Bisher glaubte man, Quantenmetriken seien inhärent und unkontrollierbar, genau wie das Universum, aber jetzt müssen wir diese Wahrnehmung ändern.“ Unsere Erkenntnisse, insbesondere die flexible Steuerung bei Raumtemperatur, könnten neue Möglichkeiten eröffnen. Möglichkeiten, in Zukunft funktionale Geräte wie Gleichrichter und Detektoren zu entwickeln.