Esquerda:movimento da luz em um forte campo gravitacional no universo. Meio:condução não ôhmica decorrente de uma estrutura métrica quântica não trivial do "universo eletrônico", que é sintonizável por meio da textura magnética de Mn3 Sn e leva a um efeito Hall de segunda ordem. À direita:condução ôhmica convencional acompanhada por uma estrutura métrica quântica trivial. Crédito:Jiahao Han, Yasufumi Araki e Shunsuke Fukami Pesquisadores da Universidade de Tohoku e da Agência Japonesa de Energia Atômica desenvolveram experimentos e teorias fundamentais para manipular a geometria do "universo eletrônico", que descreve a estrutura dos estados quânticos eletrônicos de uma maneira matematicamente semelhante ao universo real, dentro de um material magnético sob condições ambientais.
A propriedade geométrica investigada – ou seja, a métrica quântica – foi detectada como um sinal elétrico distinto da condução elétrica comum. Esta descoberta revela a ciência quântica fundamental dos elétrons e abre caminho para o projeto de dispositivos spintrônicos inovadores utilizando a condução não convencional emergente da métrica quântica.
Detalhes do estudo foram publicados na revista Nature Physics em 22 de abril de 2024.
A condução elétrica, que é crucial para muitos dispositivos, segue a lei de Ohm:uma corrente responde proporcionalmente à tensão aplicada. Mas para criar novos dispositivos, os cientistas tiveram que encontrar um meio de ir além desta lei.
É aqui que entra a mecânica quântica. Uma geometria quântica única conhecida como métrica quântica pode gerar condução não ôhmica. Esta métrica quântica é uma propriedade inerente ao próprio material, sugerindo que é uma característica fundamental da estrutura quântica do material.
O termo "métrica quântica" inspira-se no conceito "métrico" da relatividade geral, que explica como a geometria do universo se distorce sob a influência de intensas forças gravitacionais, como aquelas em torno dos buracos negros. Da mesma forma, na busca pelo projeto de condução não ôhmica dentro dos materiais, compreender e aproveitar a métrica quântica torna-se imperativo.
Esta métrica delineia a geometria do “universo eletrônico”, análoga ao universo físico. Especificamente, o desafio reside na manipulação da estrutura métrica quântica dentro de um único dispositivo e no discernimento do seu impacto na condução elétrica à temperatura ambiente.
Em um dispositivo de barra Hall de Mn3 Sn/Pt sob um campo magnético H (esquerda), o efeito Hall de segunda ordem é obtido a partir do experimento e da modelagem teórica baseada na métrica quântica (direita). Crédito:Jiahao Han, Yasufumi Araki e Shunsuke Fukami
A equipe de pesquisa relatou manipulação bem-sucedida da estrutura métrica quântica à temperatura ambiente em uma heteroestrutura de filme fino compreendendo um ímã exótico, Mn3 Sn, e um metal pesado, Pt. Mn3 Sn exibe textura magnética essencial quando adjacente a Pt, que é drasticamente modulada por um campo magnético aplicado.
A equipe detectou e controlou magneticamente uma condução não ôhmica denominada efeito Hall de segunda ordem, onde a tensão responde ortogonal e quadraticamente à corrente elétrica aplicada. Por meio de modelagem teórica, eles confirmaram que as observações podem ser descritas exclusivamente pela métrica quântica.
"Nosso efeito Hall de segunda ordem surge da estrutura métrica quântica que se acopla à textura magnética específica no Mn3 Interface Sn/Pt. Portanto, podemos manipular de forma flexível a métrica quântica, modificando a estrutura magnética do material através de abordagens spintrônicas e verificar tal manipulação no controle magnético do efeito Hall de segunda ordem”, explicou Jiahao Han, principal autor deste estudo.
O principal colaborador da análise teórica, Yasufumi Araki, acrescentou:"As previsões teóricas postulam a métrica quântica como um conceito fundamental que conecta as propriedades dos materiais medidas em experimentos às estruturas geométricas estudadas na física matemática. No entanto, a confirmação de sua evidência em experimentos permaneceu desafiador, espero que nossa abordagem experimental para acessar a métrica quântica avance em tais estudos teóricos."
O investigador principal, Shunsuke Fukami, afirmou:"Até agora, acreditava-se que a métrica quântica era inerente e incontrolável, muito parecida com o universo, mas agora precisamos mudar essa percepção. Nossas descobertas, particularmente o controle flexível à temperatura ambiente, podem oferecer novos oportunidades para desenvolver dispositivos funcionais, como retificadores e detectores no futuro."
