在磁铁中操控“电子宇宙”的几何形状

日本东北大学和日本原子能机构的研究人员已经开发了基础实验和理论，以在环境条件下操纵磁性材料中的“电子宇宙”的几何结构。他们调查的几何性质--即量子度规--被检测为与普通电导电不同的电信号。这一突破揭示了电子的基础量子科学，并为利用来自量子度规的非常规电导的创新自旋电子器件的设计铺平了道路。

2024年4月22日，《自然物理学》杂志上发表了详细信息。

电传导对许多设备至关重要，遵循欧姆定律：电流与施加的电压成比例。但为了实现新的设备，科学家们不得不寻找超越这一定律的方法。这就是量子力学发挥作用的地方。一种称为量子度规的独特量子几何可以产生非欧姆传导。这种量子度规是材料本身固有的属性，这表明它是材料量子结构的基本特征。

“量子度规”一词受到广义相对论中“度规”概念的启发，后者解释了宇宙在强烈引力场的影响下变形的几何结构，比如黑洞周围的情况。类似地，在设计材料内部非欧姆传导的过程中，理解和利用量子度规变得至关重要。这一度规描述了“电子宇宙”的几何形状，类似于物理宇宙。具体而言，挑战在于在单个设备内操纵量子度规结构，并且识别其对室温下的电传导的影响。

研究小组报告了他们在一个由异域磁体Mn3Sn和重金属Pt组成的薄膜异质结构中成功地在室温下操控量子度规结构。Mn3Sn在与Pt相邻时表现出重要的磁性纹理，该纹理可由施加的磁场进行显着调制。他们检测并磁控了一种称为二阶霍尔效应的非欧姆传导，其中电压对施加的电流作出正交和二次响应。通过理论建模，他们证实观察结果可以完全由量子度规来描述。

“我们的二阶霍尔效应源于量子度规结构，它与Mn3Sn/Pt界面的特定磁性纹理耦合。因此，我们可以通过改变材料的磁性结构来灵活操纵量子度规，并验证这种操纵对二阶霍尔效应的磁控作用。”这项研究的首席作者Jiahao Han解释道。

理论分析的主要贡献者Yasufumi Araki补充说：“理论预测将量子度规作为一个将实验中测得的材料性质与数学物理中研究的几何结构联系起来的基本概念。然而，确认其在实验中的证据一直是具有挑战性的。我希望我们对获取量子度规的实验方法将推动这类理论研究。”

首席研究员深见俊介进一步补充说：“到目前为止，量子度规被认为是固有且无法控制的，就像宇宙一样，但我们现在需要改变这种看法。我们的发现，特别是室温下的灵活控制，可能为未来开发整流器和探测器等功能设备提供新的机会。”