חוקרים עשו מניפולציות על הגיאומטריה של 'יקום האלקטרונים' בתוך חומר מגנטי, ופתחו מסלולים למכשירים ספינטרוניים מתקדמים המשתמשים בהולכה מונעת קוונטית ולא אומה. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים מאוניברסיטת טוהוקו והסוכנות לאנרגיה אטומית ביפן פיתחו ניסויים ותיאוריות בסיסיות כדי לתמרן את הגיאומטריה של 'יקום האלקטרונים', המתאר את המבנה של מצבי קוונטים אלקטרוניים באופן דומה מתמטית ליקום בפועל, בתוך חומר מגנטי תחת תנאי הסביבה.
התכונה הגיאומטרית שנחקרה – כלומר המטרית הקוונטית – זוהתה כאות חשמלי נבדל מהולכה חשמלית רגילה. פריצת דרך זו חושפת את מדע הקוונטים הבסיסי של אלקטרונים וסוללת את הדרך לתכנון התקני ספינטרוניקה חדשניים תוך שימוש בהולכה הלא קונבנציונלית העולה מהמדד הקוונטי.
פריצת הדרך של החוקרים חושפת את מדע הקוונטים הבסיסי של אלקטרונים וסוללת את הדרך לתכנון מכשירים ספינטרוניים חדשניים. קרדיט: אוניברסיטת טוהוקו
פרטים פורסמו בכתב העת פיזיקת הטבע ב-22 באפריל, 2024.
הולכה חשמלית, שהיא חיונית עבור מכשירים רבים, פועלת לפי חוק אוהם: זרם מגיב באופן פרופורציונלי למתח המופעל. אבל כדי לממש מכשירים חדשים, מדענים נאלצו למצוא אמצעי לחרוג מהחוק הזה. כאן נכנסת לתמונה מכניקת הקוונטים. גיאומטריה קוונטית ייחודית הידועה כמטרית הקוונטים יכולה ליצור הולכה לא-אומית. מדד קוונטי זה הוא תכונה הטבועה בחומר עצמו, דבר המצביע על כך שהוא מאפיין בסיסי של המבנה הקוונטי של החומר.
יקום קוונטי ויקום אלקטרוני
המונח 'מטרי קוונטי' שואב את השראתו מהמושג 'מטרי' בתורת היחסות הכללית, המסביר כיצד הגיאומטריה של היקום מתעוותת בהשפעת כוחות כבידה עזים, כמו אלה סביב חורים שחורים. באופן דומה, בשאיפה לתכנן הולכה לא-אומית בתוך חומרים, ההבנה והרתמה של המדד הקוונטי הופכת הכרחית. מדד זה משרטט את הגיאומטריה של 'יקום האלקטרונים', בדומה ליקום הפיזי. באופן ספציפי, האתגר טמון במניפולציה של המבנה הקוונטי-מטרי בתוך מכשיר בודד ובהבחנת השפעתו על הולכה חשמלית בטמפרטורת החדר.
משמאל: תנועת אור בשדה כבידה חזק ביקום. אמצעי: הולכה לא אומית הנובעת ממבנה קוונטי-מטרי לא טריוויאלי של "יקום האלקטרונים", הניתן לכוונון באמצעות המרקם המגנטי של Mn3Sn ומוביל לאפקט הול מסדר שני. מימין: הולכה אומהית קונבנציונלית מלווה במבנה קוונטי-מטרי טריוויאלי. קרדיט: Jiahao Han, Yasufumi Araki ו-Shunsuke Fukami
צוות המחקר דיווח על מניפולציה מוצלחת של המבנה הקוונטי-מטרי בטמפרטורת החדר במבנה הטרו-סרט דק הכולל מגנט אקזוטי, Mn3Sn, ומתכת כבדה, Pt. Mn3Sn מפגין מרקם מגנטי חיוני כאשר הוא צמוד ל-Pt, אשר מאופנן בצורה דרסטית על ידי שדה מגנטי מופעל. הם זיהו ובקרה מגנטית מוליכות לא אוהמית המכונה אפקט הול מסדר שני, שבו המתח מגיב בצורה אורתוגונלית וריבועית לזרם החשמלי המופעל. באמצעות מודלים תיאורטיים, הם אישרו שניתן לתאר את התצפיות באופן בלעדי על ידי המדד הקוונטי.
"אפקט הול מסדר שני שלנו נובע מהמבנה הקוונטי-מטרי שמתחבר עם המרקם המגנטי הספציפי בממשק Mn3Sn/Pt. לפיכך, אנו יכולים לתפעל בצורה גמישה את המדד הקוונטי על ידי שינוי המבנה המגנטי של החומר באמצעות גישות ספינטרוניות ולאמת מניפולציה כזו בשליטה המגנטית של אפקט הול מסדר שני", הסביר Jiahao Han, המחבר הראשי של מחקר זה.
בהתקן Hall bar של Mn3Sn/Pt תחת שדה מגנטי H (משמאל), אפקט הול מסדר שני מתקבל מהניסוי ומהמודל התיאורטי המבוסס על המטרי הקוונטי (מימין). קרדיט: Jiahao Han, Yasufumi Araki ו-Shunsuke Fukami
התורם העיקרי לניתוח התיאורטי, יאסופומי עראקי, הוסיף, "תחזיות תיאורטיות מציבות את המטריה הקוונטית כמושג יסודי המחבר את תכונות החומר הנמדדות בניסויים למבנים הגיאומטריים שנלמדו בפיזיקה מתמטית. עם זאת, אישור הראיות שלה בניסויים נותר מאתגר. אני מקווה שהגישה הניסיונית שלנו לגישה למדד הקוונטי תקדם מחקרים תיאורטיים כאלה".
החוקר הראשי Shunsuke Fukami הוסיף עוד, "עד עכשיו, האמינו שהמדד הקוונטי הוא טבוע ובלתי נשלט, בדומה ליקום, אך כעת עלינו לשנות את התפיסה הזו. הממצאים שלנו, במיוחד הבקרה הגמישה בטמפרטורת החדר, עשויים להציע הזדמנויות חדשות לפיתוח מכשירים פונקציונליים כמו מיישרים וגלאים בעתיד."
