Control electric al unei stări cuantice neconvenționale de transport, demonstrat pentru prima dată într-un magnet
Cercetătorii de la Universitatea Tohoku și de la Agenția Japoneză pentru Energie Atomică (JAEA) au reușit să controleze pentru prima dată, prin curent electric, un fenomen cuantic unic — starea Hall neliniară de origine cuantic-geometrică (QgNLH). Rezultatele au fost publicate în revista Newton pe 4 noiembrie 2026 și deschid calea către dispozitive reglabile electric care folosesc efecte cuantice pentru procesarea neliniară a semnalelor.
Dincolo de legea lui Ohm
Conducția electrică stă la baza electronicii moderne. Într-un conductor obișnuit, tensiunea și curentul sunt proporționale, conform legii lui Ohm și efectului Hall. În anumite materiale, însă, aceste legi liniare pot fi încălcate. Un exemplu tipic este efectul Hall neliniar, în care tensiunea Hall care apare în direcția transversală curentului nu mai urmează relația liniară obișnuită.
Geometria cuantică — structura geometrică a stărilor cuantice electronice — joacă un rol crucial în producerea acestui răspuns neconvențional tensiune-curent. Starea QgNLH este astfel interesantă atât ca modalitate de explorare a proprietăților cuantice ale solidelor, cât și ca bază nouă pentru procesarea neliniară a semnalelor. Pentru dispozitivele electronice practice, însă, este necesar nu doar să se observe acest răspuns, ci și să îl controlezi prin curent electric — un lucru rămas dificil, deoarece geometria cuantică a fost interpretată drept o proprietate intrinsecă a materialului.
Controlul răspunsului prin ordinea magnetică
Echipa de cercetare a investigat filme subțiri epitaxiale din antiferomagnetul chiral Mn₃Sn. Structura sa de spin este strâns legată de stările electronice, ceea ce face din Mn₃Sn un material promițător pentru a explora modul în care controlul proprietăților magnetice poate fi folosit pentru a manipula răspunsurile neconvenționale provenite din geometria cuantică.
Cercetătorii au observat mai întâi un efect Hall neliniar de ordinul trei la temperatura camerei, adică o tensiune neliniară proporțională cu cubul curentului. Combinând experimentele cu calcule teoretice, au verificat că efectul observat are origine cuantic-geometrică și este reversibil prin comutarea structurii de spin a Mn₃Sn, evidențiind astfel interacțiunea dintre starea QgNLH și structura de spin.
Echipa a folosit apoi abordări spintronice pentru a controla electric ordinea magnetică și starea QgNLH asociată. Când un curent electric circulă printr-un strat de metal greu adiacent Mn₃Sn, cuplul spin-orbită rezultat acționează asupra structurii de spin a Mn₃Sn și o poate comuta. În experiment, cercetătorii au inversat semnul răspunsului Hall neliniar de ordinul trei aplicând pulsuri de curent cu polarități opuse, demonstrând astfel controlul electric al stării QgNLH prin dinamica magnetică indusă de curent.
„Suntem capabili să realizăm manipularea electrică la cerere a stării QgNLH în diferite condiții externe”, a declarat Tomohiro Uchimura, primul autor al lucrării. „Comutarea deterministă și fluctuația stării QgNLH pot fi obținute în câmpuri magnetice de polarizare finite, respectiv nule.”
Spre electronică neliniară reglabilă electric
Autorii corespondenți ai lucrării, Jiahao Han și Shunsuke Fukami, au discutat semnificația conectării geometriei cuantice, a electronicii neliniare și a spintronicii în acest studiu: „În loc să tratăm geometria cuantică drept o proprietate fixă a materialului, am arătat cum răspunsurile electronice neliniare provenite din geometria cuantică pot fi manipulate activ prin controlul electric al ordinii magnetice a materialului.”
„Această abordare poate ajuta la dezvoltarea dispozitivelor neliniare reglabile prin curent electric, precum multiplexoare de frecvență și redresoare. Ele au potențialul de a beneficia de avantajele inerente ale memoriilor MRAM în ceea ce privește eficiența energetică și viteza, datorită introducerii metodelor spintronice care au făcut posibilă manipularea”, au adăugat ei.
