Descifrando el código del universo de electrones: Los investigadores descubren una vía para eludir la ley de Ohm
Científicos de la Universidad de Tohoku y de la Agencia de Energía Atómica de Japón han creado experimentos y teorías básicas para controlar la forma del «universo de electrones» dentro de un material magnético en condiciones regulares. Este «universo de electrones» se refiere a la disposición de los estados cuánticos electrónicos, que se asemeja a la estructura del universo real en términos matemáticos.
El atributo geométrico estudiado, conocido como métrica cuántica, se identificó mediante una señal eléctrica independiente de la conducción eléctrica típica. Además, este descubrimiento desvela la ciencia cuántica esencial que hay detrás de los electrones. Además, sienta las bases para crear innovadores dispositivos espintrónicos que aprovechan la conducción única derivada de la métrica cuántica.
Explorando la interacción
La conducción eléctrica, fundamental para numerosos dispositivos, se rige tradicionalmente por la ley de Ohm, según la cual la corriente varía proporcionalmente al voltaje aplicado. Sin embargo, los científicos han tratado de superar esta ley para avanzar en el campo de los dispositivos novedosos. Aquí es donde entra en escena la mecánica cuántica. Una geometría cuántica distintiva llamada métrica cuántica puede inducir una conducción no óhmica. Esta métrica, inherente al material, implica que es una característica fundacional de su estructura cuántica.
Métrica cuántica y universo de electrones
El término «métrica cuántica» está influido por la idea de «métrica» de la relatividad general, que describe cómo cambia la forma del universo debido a las fuerzas gravitatorias fuertes, como las que se producen cerca de los agujeros negros. Del mismo modo, comprender y utilizar la métrica cuántica es crucial para crear una conducción no óhmica en los materiales. Esta métrica describe la forma del «universo de electrones», similar al universo físico. La tarea consiste en controlar la estructura de la métrica cuántica en un dispositivo y ver cómo afecta a la conducción eléctrica a temperatura ambiente media.
Centro: Conductividad no óhmica derivada de una compleja disposición cuántico-métrica del «universo de electrones», ajustable mediante la textura magnética del Mn3Sn, que da lugar a un efecto Hall de segundo orden.
Derecha: Conductividad óhmica tradicional con una configuración cuántico-métrica directa. Fuente: Yasufumi Araki, Jiahao Han y Shunsuke Fukami
Los investigadores trabajaron con una configuración de película fina que incluía un metal pesado, el Pt, y un imán especial, el Mn3Sn, para modificar la estructura cuántico-métrica a temperatura ambiente. Cuando el Mn3Sn está junto al Pt, muestra cambios significativos en sus propiedades magnéticas cuando se le aplica un campo magnético. Observaron y controlaron un tipo de conducción no óhmica denominada efecto Hall de segundo orden, en el que el voltaje reacciona en ángulo recto y cuadráticamente a la corriente eléctrica. El modelado teórico confirmó que la métrica cuántica explica por sí sola estos hallazgos.
Romper la barrera: Control a temperatura ambiente de la métrica cuántica
Jiahao Han, autor principal del estudio, explicó que el efecto Hall de segundo orden tiene su origen en la estructura de la métrica cuántica que interactúa con la textura magnética particular de la interfaz Mn3Sn/Pt. Por tanto, mencionó que podían ajustar la métrica cuántica alterando la estructura magnética del material mediante métodos espintrónicos. Además, señaló que podrían confirmar dichos ajustes mediante el control magnético del efecto Hall de segundo orden.
Yasufumi Araki, principal colaborador en el análisis teórico, explicó además que las predicciones teóricas sugieren que la métrica cuántica es un concepto fundamental que vincula las propiedades materiales observadas en los experimentos con las estructuras geométricas investigadas en física matemática. Señaló que confirmar su evidencia en experimentos ha planteado dificultades. Araki confía en que su método experimental para acceder a la métrica cuántica impulse los estudios teóricos en este campo.
El investigador principal, Shunsuke Fukami, también aportó su contribución, afirmando que antes se pensaba que la métrica cuántica era intrínseca y estaba fuera de control, como el propio universo. Sin embargo, subrayó la necesidad de alterar esta percepción. Fukami subrayó que sus descubrimientos, especialmente en lo que respecta al control adaptable que se puede lograr a temperatura ambiente, podrían abrir nuevas vías para el futuro desarrollo de dispositivos funcionales como rectificadores y detectores.
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