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揭秘“量子宇宙”！室温实现非欧姆传导，预示电子工业未来？

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发布时间：2024-04-24
 
根据发表在《自然·物理学》杂志上的一项研究，研究人员在室温条件下成功操纵了一种基本但常被忽视的量子特性——量子度规结构（quantum-metric structure）。
 
科学家开发出了操纵“电子宇宙”几何形状的基础实验和理论。“电子宇宙”以数学上类似于真实宇宙的方式描述了环境条件下磁性材料中电子量子态的结构。
 
实验中，研究团队探测到的量子度规表现为一种电信号，这种信号与传统的电传导方式不同，揭示了量子物理学的一个新领域。
 
这一发现有望推动先进自旋电子设备的开发，这些设备将基于量子度规所引入的非传统传导方式运行。通过研究量子度规，科学家们能够设计出表现出非欧姆传导特性的材料，这对下一代电子设备的发展至关重要。
 
 
电传导是许多设备的关键性特征，通常遵循欧姆定律，即电流与外加电压成正比关系。然而，为了开发新型设备，科学家们正在寻求突破这一定律的方法，而量子力学在此发挥了重要作用。一种称为量子度规的独特量子几何结构能够引发非欧姆传导，这种传导是材料本身固有的性质，显示出其量子结构的基本特征。
 
由东北大学和日本原子能研究开发机构联合领导的研究团队，使用了具有高度可调的手性-自旋结构的拓扑手性反铁磁体Mn3Sn。研究人员展示了如何通过温和的磁场或利用自旋轨道相互作用的自旋纹理，在不同状态之间调整Mn3Sn的量子度规结构。
 
在实验中，科学家们使用由Mn3Sn和Pt制成的薄膜异质结构，揭示了其独特的磁性相互作用。在磁场作用下，这种材料展现出可控的二阶霍尔效应——一种电压变化与外加电流平方成正比的非欧姆传导类型。主要研究员Jiahao Han解释道：“我们的实验表明，二阶霍尔效应源自量子度规与Mn3Sn/Pt界面特定磁性纹理之间的相互作用。这种相互作用可以通过自旋电子技术调整，使我们能够在室温下有效操纵这些特性。”
 
MgO (111) 基底/MgO (1.3 nm)/Ru (5 nm)/Mn3Sn (15 or 30 nm)/MgO样品的示意图和特性
 
室温下测量结果
 
操纵量子度规结构和内在ScHE的理论模型
 
该研究突显了在室温下利用这些特性的可行性，为量子器件中应用量子度规效应提供了实际途径。
 
项目首席研究员Shunsuke Fukami指出，他们的研究成果具有变革性意义：“以往，量子度规被视为一种固定属性，仿佛是宇宙的不变方面之一。我们的成果挑战了这一观点，为发展整流器和探测器等新型设备开辟了可能性。”
 
 
量子度规特性是布洛赫电子的几何特性，在晶格内受量子力学的影响。这种在室温下操作的新方法有效地克服了传统研究中的挑战，比如在锰铋碲镉材料的研究中，量子度规效应在25开尔文左右就会消失，并且需要更强的磁场来改变状态。
 
这一发现对量子计算的操作可能至关重要，因为它解决了在量子度规结构中平衡稳健性与可控性的重大难题。使用如Mn3Sn这样的拓扑手性反铁磁体，不仅能增强这些量子特性的稳定性，还提供了一种通过外部调节进行精确控制的直接方法。
 
此项研究的实际应用潜力极广。例如，通过在材料的量子度规结构中编码信息，可以开发出具有拓扑保护的存储设备，这些设备的稳定性更高，对外部干扰的敏感性更低——这些都是量子计算应用中的典型挑战。
 
此外，这项研究还为信号处理领域的潜在创新开辟了道路。在Mn3Sn中观察到的二阶非线性电流效应能将输入信号转换为其平方，这表明它可以用于信号整流和噪声传感器。这些传感器有助于检测布洛赫态的拓扑结构和监测电波动的时间变化，对推动量子计算技术的发展至关重要。
 
通过内部自旋轨道相互作用实现的操纵机制与一般磁性材料相兼容，这扩大了能够展示这些量子度规效应的材料范围。材料候选范围的扩大不仅促进了该领域的进一步研究，而且加强了这些材料与现有技术的整合。
 
参考链接：
[1]https://thequantuminsider.com/2024/04/23/tohoku-university-led-research-team-achieves-room-temperature-quantum-metric-manipulation/
[2]https://www.spacedaily.com/reports/Exploring_the_electron_universe_New_paths_in_quantum_geometry_manipulation_999.html
[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2024/04/240423113104.htm
 

 

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