Les chercheurs de l’Université de Tohoku et de l’Agence japonaise de l’énergie atomique ont développé des expériences et des théories fondamentales pour manipuler la géométrie de « l’univers électronique », qui décrit la structure des états quantiques électroniques d’une manière mathématiquement similaire à l’univers réel, dans un matériau magnétique dans des conditions ambiantes.
La propriété géométrique étudiée, à savoir la métrique quantique, a été détectée comme un signal électrique distinct de la conduction électrique ordinaire. Cette percée révèle la science quantique fondamentale des électrons et ouvre la voie à la conception de dispositifs spintroniques innovants utilisant la conduction non conventionnelle émergeant de la métrique quantique.
La conduction électrique, cruciale pour de nombreux dispositifs, suit la loi d’Ohm : un courant répond proportionnellement à la tension appliquée. Mais pour réaliser de nouveaux dispositifs, les scientifiques ont dû trouver un moyen d’aller au-delà de cette loi. C’est là qu’intervient la mécanique quantique. Une géométrie quantique unique connue sous le nom de métrique quantique peut générer une conduction non ohmique.
Cette métrique quantique est une propriété inhérente au matériau lui-même, ce qui suggère qu’il s’agit d’une caractéristique fondamentale de la structure quantique du matériau.
Le terme «métrique quantique» s’inspire du concept de « métrique » en relativité générale, qui explique comment la géométrie de l’univers se déforme sous l’influence de forces gravitationnelles intenses, comme celles qui entourent les trous noirs. De même, dans la poursuite de la conception d’une conduction non ohmique dans les matériaux, la compréhension et l’exploitation de la métrique quantique deviennent impératives.
Cette métrique décrit la géométrie de «l’univers électronique», analogue à l’univers physique. Plus précisément, le défi consiste à manipuler la structure de la métrique quantique dans un seul dispositif et à discerner son impact sur la conduction électrique à température ambiante.
L’équipe de recherche a rapporté une manipulation réussie de la structure de la métrique quantique à température ambiante dans une hétérostructure en couche mince comprenant un aimant exotique, Mn3Sn, et un métal lourd, Pt. Mn3Sn présente une texture magnétique essentielle lorsqu’il est adjacent à Pt, qui est drastiquement modulée par un champ magnétique appliqué.
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Ils ont détecté et contrôlé magnétiquement une conduction non ohmique appelée effet Hall de second ordre, où la tension répond orthogonalement et quadratiquement au courant électrique appliqué. Grâce à une modélisation théorique, ils ont confirmé que les observations peuvent être exclusivement décrites par la métrique quantique.
Jiahao Han, auteur principal de cette étude, a expliqué : «Notre effet Hall de second ordre provient de la structure de la métrique quantique qui se couple avec la texture magnétique spécifique à l’interface Mn3Sn/Pt. Par conséquent, nous pouvons manipuler de manière flexible la métrique quantique en modifiant la structure magnétique du matériau par des approches spintroniques et vérifier cette manipulation dans le contrôle magnétique de l’effet Hall de second ordre.»
Yasufumi Araki, principal contributeur à l’analyse théorique, a ajouté : «Les prédictions théoriques posent la métrique quantique comme un concept fondamental qui relie les propriétés des matériaux mesurées dans les expériences aux structures géométriques étudiées en physique mathématique. Cependant, la confirmation de ses preuves dans les expériences est restée un défi. J’espère que notre approche expérimentale de l’accès à la métrique quantique fera progresser ces études théoriques.»
Le chercheur principal Shunsuke Fukami a conclu : «Jusqu’à présent, on croyait que la métrique quantique était inhérente et incontrôlable, un peu comme l’univers, mais nous devons maintenant changer cette perception. Nos résultats, en particulier le contrôle flexible à température ambiante, peuvent offrir de nouvelles opportunités pour développer des dispositifs fonctionnels tels que des redresseurs et des détecteurs à l’avenir.»
Cette étude ouvre de nouvelles perspectives passionnantes dans le domaine de la spintronique et de la science quantique fondamentale des électrons. La manipulation de la géométrie de «l’univers électronique» pourrait conduire à des avancées significatives dans la conception de dispositifs innovants exploitant les propriétés quantiques de la matière.
Article : « Room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in a topological chiral antiferromagnet » – DOI:10.1038/s41567-024-02476-2
