Manipulering af elektronuniversets geometri i magneter
Forskere ved Tohoku University og Japan Atomic Energy Agency har udviklet grundlæggende eksperimenter og teorier til at manipulere geometrien af "elektronuniverset", som beskriver strukturen af elektroniske kvantetilstande på en måde, der matematisk ligner det faktiske univers, inden for et magnetisk materiale under omgivende forhold.
Den undersøgte geometriske egenskab - dvs. kvantemetrikken - blev detekteret som et elektrisk signal adskilt fra almindelig elektrisk ledning. Dette gennembrud afslører elektronernes grundlæggende kvantevidenskab og baner vejen for at designe innovative spintroniske enheder, der udnytter den ukonventionelle ledning, der opstår fra kvantemetrikken.
Detaljer om undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Physics den 22. april 2024.
Elektrisk ledning, som er afgørende for mange enheder, følger Ohms lov:en strøm reagerer proportionalt på påført spænding. Men for at realisere nye enheder har videnskabsmænd været nødt til at finde et middel til at gå ud over denne lov.
Det er her, kvantemekanikken kommer ind i billedet. En unik kvantegeometri kendt som kvantemetrikken kan generere ikke-ohmisk ledning. Denne kvantemetrik er en egenskab, der er iboende for selve materialet, hvilket tyder på, at det er et grundlæggende kendetegn ved materialets kvantestruktur.
Udtrykket "kvantemetrisk" henter sin inspiration fra det "metriske" begreb i den generelle relativitetsteori, som forklarer, hvordan universets geometri forvrænges under indflydelse af intense gravitationskræfter, såsom dem omkring sorte huller. På samme måde, i jagten på at designe ikke-ohmisk ledning i materialer, bliver det bydende nødvendigt at forstå og udnytte kvantemetrikken.
Denne metrik afgrænser geometrien af "elektronuniverset", analogt med det fysiske univers. Konkret ligger udfordringen i at manipulere den kvantemetriske struktur i en enkelt enhed og skelne dens indvirkning på elektrisk ledning ved stuetemperatur.
Forskerholdet rapporterede vellykket manipulation af den kvantemetriske struktur ved stuetemperatur i en tyndfilms heterostruktur bestående af en eksotisk magnet, Mn3 Sn, og et tungmetal, Pt. Mn3 Sn udviser væsentlig magnetisk tekstur, når den støder op til Pt, som er drastisk moduleret af et påført magnetfelt.
Holdet opdagede og magnetisk styrede en ikke-ohmisk ledning kaldet andenordens Hall-effekten, hvor spændingen reagerer ortogonalt og kvadratisk på den påførte elektriske strøm. Gennem teoretisk modellering bekræftede de, at observationerne udelukkende kan beskrives af kvantemetrikken.
"Vores andenordens Hall-effekt opstår fra den kvantemetriske struktur, der kobles med den specifikke magnetiske tekstur ved Mn3 Sn/Pt interface. Derfor kan vi fleksibelt manipulere kvantemetrikken ved at modificere materialets magnetiske struktur gennem spintroniske tilgange og verificere en sådan manipulation i den magnetiske kontrol af andenordens Hall-effekten," forklarede Jiahao Han, hovedforfatteren af denne undersøgelse.
Den vigtigste bidragyder til den teoretiske analyse, Yasufumi Araki, tilføjede:"Teoretiske forudsigelser anfører kvantemetrikken som et grundlæggende begreb, der forbinder de materialeegenskaber, der måles i eksperimenter, med de geometriske strukturer, der er studeret i matematisk fysik. Bekræftelse af dets beviser i eksperimenter er dog fortsat udfordrende Jeg håber, at vores eksperimentelle tilgang til at få adgang til kvantemetrikken vil fremme sådanne teoretiske studier."
Principal investigator Shunsuke Fukami udtalte:"Indtil nu har kvantemetrikken været anset for at være iboende og ukontrollerbar, ligesom universet, men vi er nu nødt til at ændre denne opfattelse. Vores resultater, især den fleksible kontrol ved stuetemperatur, kan tilbyde nye muligheder for at udvikle funktionelle enheder såsom ensrettere og detektorer i fremtiden."
Flere oplysninger: Jiahao Han et al., Rumtemperatur fleksibel manipulation af den kvantemetriske struktur i en topologisk chiral antiferromagnet, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02476-2
Journaloplysninger: Naturfysik
Leveret af Tohoku University
Varme artikler
-
Forskere beskriver en ny strålescanningsenhed, der bruger fotoniske krystallerEn tilsyneladende tilfældig linje af fotoniske krystaller gør det muligt at udsende laserstråler i forskellige vinkler, giver mulighed for mere alsidig og kompakt LiDAR-teknologi Kredit:Kyoto Universi -
Ensartet tids- og frekvensbillede af ultrahurtig atomisk excitation i stærke felterFig. 1:Udbytte af ophidsede atomer som en funktion af laserintensiteten. Ved en laserintensitet på 200TW/cm², i nærheden af en 6 fotonekanals lukning, en stærk resonansforøgelse af en faktor 100 er -
Digitale kvantesimulatorer kan være forbavsende robusteKredit:CC0 Public Domain Ved løsning af kvantefysiske problemer i mange kropssystemer, såsom forudsigelse af materialegenskaber, konventionelle computere når hurtigt grænserne for deres kapacitet. -
Håber på en ny permanent magnet, der er billig og bæredygtigKredit:CC0 Public Domain Forskere har fået et gennembrud i søgen efter en ny, bæredygtig permanent magnet. De fleste permanente magneter er lavet af legeringer af sjældne jordarters metaller - me
- Forskning finder sammenhæng mellem nedbør og havcirkulation i fortid og nutid
- Dødsfald for ryttere fremhæver behovet for at gøre gaderne mere sikre for alle
- Tre astronauter på Soyuz-fartøjer når frem til ISS
- Fakta, frygt og udviklingen af maskering gennem COVID-19-pandemien
- Teleskop fotograferer den næste målasteroide for Hayabusa2
- Afmatning i inflationen styrker forbrugernes stemning