I ricercatori dell'Università di Tohoku e dell'Agenzia giapponese per l'energia atomica hanno sviluppato esperimenti e teorie fondamentali per manipolare la geometria dell'"universo elettronico", che descrive la struttura degli stati quantistici elettronici in modo matematicamente simile all'universo reale, all'interno di un materiale magnetico sotto condizioni ambientali.
La proprietà geometrica studiata, ovvero la metrica quantistica, è stata rilevata come un segnale elettrico distinto dalla normale conduzione elettrica. Questa svolta rivela la scienza quantistica fondamentale degli elettroni e apre la strada alla progettazione di dispositivi spintronici innovativi che utilizzano la conduzione non convenzionale che emerge dalla metrica quantistica.
I dettagli dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Physics il 22 aprile 2024.
La conduzione elettrica, fondamentale per molti dispositivi, segue la legge di Ohm:una corrente risponde proporzionalmente alla tensione applicata. Ma per realizzare nuovi dispositivi, gli scienziati hanno dovuto trovare un mezzo per andare oltre questa legge.
È qui che entra in gioco la meccanica quantistica. Una geometria quantistica unica conosciuta come metrica quantistica può generare una conduzione non ohmica. Questa metrica quantistica è una proprietà inerente al materiale stesso, suggerendo che sia una caratteristica fondamentale della struttura quantistica del materiale.
Il termine "metrica quantistica" trae ispirazione dal concetto di "metrica" della relatività generale, che spiega come la geometria dell'universo si distorce sotto l'influenza di intense forze gravitazionali, come quelle attorno ai buchi neri. Allo stesso modo, nel tentativo di progettare la conduzione non ohmica all'interno dei materiali, comprendere e sfruttare la metrica quantistica diventa fondamentale.
Questa metrica delinea la geometria dell '"universo elettronico", analogo all'universo fisico. Nello specifico, la sfida sta nel manipolare la struttura quantistica all'interno di un singolo dispositivo e nel discernere il suo impatto sulla conduzione elettrica a temperatura ambiente.
Il gruppo di ricerca ha riportato una manipolazione riuscita della struttura quantistica a temperatura ambiente in un'eterostruttura a film sottile comprendente un magnete esotico, Mn3 Sn, e un metallo pesante, Pt. Mn3 Sn mostra una struttura magnetica essenziale quando adiacente a Pt, che viene drasticamente modulata da un campo magnetico applicato.
Il team ha rilevato e controllato magneticamente una conduzione non ohmica chiamata effetto Hall del secondo ordine, in cui la tensione risponde ortogonalmente e quadraticamente alla corrente elettrica applicata. Attraverso la modellizzazione teorica, hanno confermato che le osservazioni possono essere descritte esclusivamente dalla metrica quantistica.
"Il nostro effetto Hall del secondo ordine nasce dalla struttura quantistica che si accoppia con la specifica struttura magnetica al Mn3 Interfaccia Sn/Pt. Quindi, possiamo manipolare in modo flessibile la metrica quantistica modificando la struttura magnetica del materiale attraverso approcci spintronici e verificare tale manipolazione nel controllo magnetico dell'effetto Hall del secondo ordine," ha spiegato Jiahao Han, l'autore principale di questo studio.
Il principale collaboratore dell'analisi teorica, Yasufumi Araki, ha aggiunto:"Le previsioni teoriche postulano la metrica quantistica come un concetto fondamentale che collega le proprietà dei materiali misurate negli esperimenti alle strutture geometriche studiate nella fisica matematica. Tuttavia, la conferma delle sue prove negli esperimenti è rimasta impegnativo. Spero che il nostro approccio sperimentale all'accesso alla metrica quantistica farà avanzare tali studi teorici."
Il ricercatore principale Shunsuke Fukami ha dichiarato:"Fino ad ora, si credeva che la metrica quantistica fosse intrinseca e incontrollabile, proprio come l'universo, ma ora dobbiamo cambiare questa percezione. Le nostre scoperte, in particolare il controllo flessibile a temperatura ambiente, possono offrire nuove opportunità per sviluppare in futuro dispositivi funzionali come raddrizzatori e rilevatori."
Ulteriori informazioni: Jiahao Han et al, Manipolazione flessibile a temperatura ambiente della struttura quantistica in un antiferromagnete topologico chirale, Fisica naturale (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02476-2
Informazioni sul giornale: Fisica della Natura
Fornito dall'Università di Tohoku
