Forscher der Tohoku-Universität und der Japan Atomic Energy Agency haben grundlegende Experimente und Theorien entwickelt, um die Geometrie des „Elektronenuniversums“ zu manipulieren, das die Struktur elektronischer Quantenzustände in einer mathematisch ähnlichen Weise wie das tatsächliche Universum innerhalb eines magnetischen Materials beschreibt Umgebungsbedingungen.
Die untersuchte geometrische Eigenschaft – also die Quantenmetrik – wurde als elektrisches Signal erkannt, das sich von der gewöhnlichen elektrischen Leitung unterscheidet. Dieser Durchbruch enthüllt die grundlegende Quantenwissenschaft der Elektronen und ebnet den Weg für die Entwicklung innovativer spintronischer Geräte, die die unkonventionelle Leitung nutzen, die sich aus der Quantenmetrik ergibt.
Details der Studie waren veröffentlicht im Tagebuch Naturphysik am 22. April 2024.
Die elektrische Leitung, die für viele Geräte von entscheidender Bedeutung ist, folgt dem Ohmschen Gesetz: Ein Strom reagiert proportional auf die angelegte Spannung. Doch um neue Geräte zu realisieren, mussten Wissenschaftler einen Weg finden, über dieses Gesetz hinauszugehen.
Hier kommt die Quantenmechanik ins Spiel. Eine einzigartige Quantengeometrie, die als Quantenmetrik bekannt ist, kann nicht-ohmsche Leitung erzeugen. Diese Quantenmetrik ist eine dem Material selbst innewohnende Eigenschaft, 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, beispielsweise um Schwarze Löcher herum, verzerrt. Ebenso ist es bei der Entwicklung einer nicht-ohmschen Leitung innerhalb von Materialien unerlässlich, die Quantenmetrik zu verstehen und zu nutzen.
Diese Metrik beschreibt die Geometrie des „Elektronenuniversums“, 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 ermitteln.
Das Forschungsteam berichtete über eine erfolgreiche Manipulation der quantenmetrischen Struktur bei Raumtemperatur in einer Dünnfilm-Heterostruktur, die aus einem exotischen Magneten, Mn3Sn, und einem Schwermetall, Pt, besteht. Mn3Sn weist in der Nähe von Pt eine wesentliche magnetische Textur auf, die durch ein angelegtes Magnetfeld drastisch moduliert wird.
Das Team entdeckte und kontrollierte magnetisch eine 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 die Quantenmetrik beschrieben werden können.
„Unser Hall-Effekt zweiter Ordnung entsteht aus der quantenmetrischen Struktur, die mit der spezifischen magnetischen Textur an der Mn3Sn/Pt-Grenzfläche gekoppelt ist. Daher können wir die Quantenmetrik flexibel manipulieren, indem wir die magnetische Struktur des Materials durch spintronische Ansätze modifizieren und verifizieren.“ „Eine solche Manipulation bei der magnetischen Kontrolle des Hall-Effekts zweiter Ordnung“, erklärte Jiahao Han, der Hauptautor dieser Studie.
Der Hauptautor der theoretischen Analyse, Yasufumi Araki, fügte hinzu: „Theoretische Vorhersagen gehen davon aus, dass die Quantenmetrik ein grundlegendes Konzept ist, das die in Experimenten gemessenen Materialeigenschaften mit den in der mathematischen Physik untersuchten geometrischen Strukturen verbindet. Die Bestätigung ihrer Beweise in Experimenten ist jedoch ausgeblieben.“ Ich hoffe, dass unser experimenteller Ansatz zum Zugang zur Quantenmetrik solche theoretischen Studien voranbringt.
Hauptforscher Shunsuke Fukami erklärte: „Bisher glaubte man, die Quantenmetrik sei inhärent und unkontrollierbar, ähnlich wie das Universum, aber wir müssen diese Wahrnehmung jetzt ändern. Unsere Erkenntnisse, insbesondere die flexible Steuerung bei Raumtemperatur, könnten neue Erkenntnisse bringen.“ Möglichkeiten, in Zukunft funktionale Geräte wie Gleichrichter und Detektoren zu entwickeln.“
Mehr Informationen:
Jiahao Han et al, Flexible Manipulation der quantenmetrischen Struktur bei Raumtemperatur in einem topologischen chiralen Antiferromagneten, Naturphysik (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02476-2