Ilmuwan Menemukan Jalan Melampaui Hukum Ohm

Para peneliti di Universitas Tohoku dan Badan Energi Atom Jepang telah mengembangkan eksperimen dan teori mendasar untuk memanipulasi geometri 'alam semesta elektronik', yang menggambarkan struktur keadaan kuantum elektronik dengan cara yang secara matematis mirip dengan alam semesta nyata, dalam bahan magnetik di bawah kondisi universal. kondisi sekitar.

Sifat geometris yang diselidiki – yaitu metrik kuantum – dideteksi sebagai sinyal listrik yang berbeda dari konduksi listrik biasa. Terobosan ini mengungkap ilmu kuantum mendasar tentang elektron dan membuka jalan bagi desain perangkat spintronik inovatif yang memanfaatkan konduksi tidak konvensional yang muncul dari metrik kuantum.

Rinciannya dipublikasikan di jurnal Fisika Alam pada tanggal 22 April 2024.

Konduksi listrik, yang penting bagi banyak perangkat, mengikuti hukum Ohm: arus merespons secara proporsional terhadap tegangan yang diberikan. Namun untuk mewujudkan perangkat baru, para ilmuwan harus menemukan cara untuk mengabaikan hukum tersebut. Di sinilah mekanika kuantum berperan. Geometri kuantum unik yang dikenal sebagai metrik kuantum dapat menghasilkan konduksi non-Ohmik. Metrik kuantum ini merupakan sifat yang melekat pada material itu sendiri, yang menunjukkan bahwa ini adalah karakteristik mendasar dari struktur kuantum material.

Metrik Kuantum dan Alam Semesta Elektron

Istilah 'metrik kuantum' mengambil inspirasi dari konsep 'metrik' dalam relativitas umum, yang menggambarkan bagaimana geometri alam semesta terdistorsi akibat pengaruh gaya gravitasi yang kuat, seperti yang terjadi di sekitar lubang hitam. Demikian pula dalam upaya merancang konduksi non-Ohmik pada material, pemahaman dan pemanfaatan metrik kuantum menjadi suatu kebutuhan. Metrik ini menggambarkan geometri 'alam semesta elektron', yang dianalogikan dengan alam semesta fisik. Secara khusus, tantangannya terletak pada memanipulasi struktur metrik kuantum dalam satu perangkat dan membedakan dampaknya terhadap konduksi listrik pada suhu kamar.

Kiri: pergerakan cahaya dalam medan gravitasi alam semesta yang kuat. Tengah: konduksi non-Ohmik yang timbul dari struktur metrik kuantum non-trivial dari “alam semesta elektron”, yang dapat disetel melalui tekstur magnetik Mn3Sn dan mengarah ke efek Hall orde kedua. Kanan: konduksi Ohmik konvensional disertai dengan struktur metrik kuantum yang sepele. Kredit: Jiahao Han, Yasufumi Araki, dan Shunsuke Fukami

Tim peneliti melaporkan keberhasilan manipulasi struktur metrik kuantum pada suhu kamar dalam heterostruktur film tipis yang terdiri dari magnet eksotik, Mn3Sn, dan logam berat, Pt. Mn3Sn menunjukkan tekstur magnet yang penting ketika berdekatan dengan Pt, yang dimodulasi secara drastis oleh medan magnet yang diterapkan. Mereka mendeteksi dan mengontrol konduksi non-Ohmik secara magnetis yang disebut efek Hall orde kedua, di mana tegangan merespons secara ortogonal dan kuadrat terhadap arus listrik yang diberikan. Melalui pemodelan teoretis, mereka memastikan bahwa observasi hanya dapat dijelaskan dengan metrik kuantum.

“Efek Hall orde kedua kami muncul dari struktur metrik kuantum yang dikombinasikan dengan tekstur magnetik spesifik pada antarmuka Mn3Sn/Pt. “Oleh karena itu, kita dapat secara fleksibel memanipulasi metrik kuantum dengan memodifikasi struktur magnetik material melalui pendekatan spintronik dan memverifikasi manipulasi tersebut dalam kontrol magnetik efek Hall orde kedua,” jelas Jiahao Han, penulis utama studi tersebut.

Dalam perangkat batang Hall Mn3Sn/Pt di bawah medan magnet H (kiri), efek Hall orde kedua diperoleh dari eksperimen dan pemodelan teoretis berdasarkan metrik kuantum (kanan). Kredit: Jiahao Han, Yasufumi Araki, dan Shunsuke Fukami

Kontributor utama analisis teoretis, Yasufumi Araki, menambahkan, “Prediksi teoretis memposisikan metrik kuantum sebagai konsep dasar yang menghubungkan sifat material yang diukur dalam eksperimen dengan struktur geometris yang dipelajari dalam fisika matematika. Namun, mengkonfirmasi bukti-bukti dalam eksperimen masih merupakan tantangan. Saya berharap pendekatan eksperimental kami untuk mengakses metrik kuantum akan memajukan studi teoritis tersebut.”

Peneliti utama Shunsuke Fukami lebih lanjut menambahkan, “Sampai saat ini, metrik kuantum diyakini melekat dan tidak dapat dikendalikan, sama seperti alam semesta, namun kita sekarang perlu mengubah persepsi ini. Temuan kami, khususnya kontrol fleksibel pada suhu kamar, mungkin menawarkan peluang baru untuk mengembangkan perangkat fungsional seperti penyearah dan detektor di masa depan.”

Referensi: “Manipulasi fleksibel suhu ruangan dari struktur metrik kuantum dalam antiferromagnet kiral topologi” oleh Jiahao Han, Tomohiro Uchimura, Yasufumi Araki, Ju-Young Yoon, Yutaro Takeuchi, Yuta Yamane, Shun Kanai, Jun'ichi Ieda, Hideo Ohno dan Shunsuke Fukami , 22 April 2024, Fisika Alam.
DOI: 10.1038/s41567-024-02476-2