成功控制了潜藏在磁铁中的“电子宇宙”的室温 ~逼近实现新型量子自旋器件的基础原理~

2024年4月22日 国立大学法人东北大学 国立研究开发法人日本原子能研究开发机构 成功控制了潜藏在磁铁中的“电子宇宙”的室温~逼近实现新型量子自旋器件的基础原理~ 【发表要点】 在室温、桌上的磁性体中实验性地控制了电子的量子状态所具有的相当于“电子的宇宙”的量子计量，在世界上首次获得了成功。 检测了偏离传统规律的奇异电导，阐明了这是受控量子计量的证据。 为使用新型传导特性的量子自旋器件奠定了新基础。 【概要】 众所周知，作为广义相对论(注1 )的效果，在有强重力作用的宇宙空间中，直线前进的光的路径会沿着时空变形(计量(注1 ) )弯曲。 该原理也用于以GPS为代表的全球定位卫星系统( GNSS )。 理论上预测，同样的现象也出现在物质中的电子流动——电导中。 产生这种特异电导的是表示物质中电子所具有的量子态应变情况的量子计量。 本研究是在室温、桌上实验性地控制了这个可以称之为“电子宇宙”的量子计量。 此次，由东北大学的汉杰浩助教、内村友宏研究生、深见俊辅教授、大野英男教授等，以及日本原子能研究开发机构的荒木康史研究副主干和家田淳一小组组长组成的研究小组，发现自旋(各个原子所具有的磁性)配成了三角形 通过对理论模型的分析，发现这来源于磁场控制的量子计量。 去年美国的研究小组报告了极低温、高磁场下的量子计量控制，本研究在室温、低磁场(桌上)下实现这一点上具有创新性。 该知识是理解和利用量子计量织成的导电现象的第一步，今后，有望发展为整流器和传感器等新型量子自旋器件。 本研究成果于2024年4月22日(英国时间)刊登在物理学领域的专业杂志Nature Physics上。 【详细说明】 研究背景 导电是电子器件开发的基础原理。 典型物质中的导电遵循欧姆定律，该定律与两端产生的电压流过的电流量成比例。 另一方面，通过创造利用超越欧姆定律的(非欧姆的)新奇的导电，可以有效地控制器件中电流的方向和大小，期待实现超越以往器件的功能。 要对物质中的导电有细致的理解，就需要关注作为导电承担者的每一个电子的行为。 这里重要的是量子力学，在量子力学中，电子的行为用与其量子状态对应的波函数(注3 )的结构来描述。 理论预言，如果该波函数具有奇异结构(扭曲、应变等)，电子路径将被弯曲，出现非欧姆导电(电压响应与电流不同的方向，电压与电流不成比例等)。 因此，为了利用这种电导特性，具有适当量子态结构的物质的选择设计以及控制方法的确立很重要。 表征量子态结构的基础概念是量子计量。 这是法国物理学家Provost和Vallee于1980年提出的理论(参考文献)，由于具有与构成广义相对论根基的概念“计量”类似的数学结构，因此被命名为量子计量。 计量表示黑洞等强重力支配的宇宙结构，通过观测确认了光和天体的路径会因此发生弯曲。 在这个类推中，为了改变电子的路径，创造非欧姆的导电，有必要测量可以说是“电子宇宙”的量子计量的效果，进而控制其形状(图1 )。 但是，迄今为止，通过实验控制物质中的量子计量是非常困难的。 为什么这么说呢，这是因为作为量子计量基础的量子态的结构由物质的晶体结构和化学组成等决定，基本上是物质固有的。 2023年，以美国研究者为首的研究小组报告了在极低温和高磁场下，对量子计量进行磁调制的实验结果。 另一方面，特别是从器件应用的观点出发，虽然要求在室温下在低磁场下控制量子计量，但迄今为止还没有这样的报告例。

图1 .本研究成果概念图。 电子的量子态结构“量子计量”(右上)与重力强烈作用的宇宙空间(右下)具有类似的结构。 在本研究中，通过施加磁场，介由手性反铁磁体的自旋结构，成功地控制了相当于“电子宇宙”的量子计量(左)。 这次的措施 此次，研究小组成功地在室温下用低磁场控制了磁性材料的一种锰锡合金( Mn3Sn )和重金属铂( Pt )的层叠薄膜中的电子量子计量，并观测到了其效果。 Mn3Sn是一种被称为手性反铁磁体的物质，具有各个原子的自旋配位成三角形的结构(图2右)。 通过将该物质与Pt层叠并从外部施加磁场，自旋的结构会随着施加磁场的方向发生变化。 研究小组在该层叠薄膜中，通过实验捕捉到了非欧姆导电的一种“非线性霍尔效应”的信号(图2 )。 非线性霍尔效应是电压在与电流垂直的方向上产生，并且其强度与电流的“平方”成正比的效应，是高频信号的控制等电子器件设计中也受到重视的现象。 特别是发现该信号追随磁场方向变化，在室温(约30℃)附近强烈出现(图3左图)。 研究小组使用理论模型进行计算，试图弄清测量到的非线性霍尔效应的起源，查明这是以电子的量子计量为起源出现的。 具体来说，明确了只有通过改变磁场方向和温度，Mn3Sn和Pt界面的自旋结构发生变化，随之电子的波函数中内在的量子计量发生变化，才能无矛盾地说明实验结果。 实际上，确认了基于该量子计量理论上估算的非线性霍尔效应与此次实验测量的非线性霍尔效应的信号具有一致的磁场依赖性(图3右图)。 通过以上实验和理论对比，本研究得出了通过介由Mn3Sn等手性反铁磁体的自旋结构，成功实现了室温下低磁场对量子计量的控制。

图2 .本研究中使用的测量用器件的图示。 在十字形的试料(霍尔棒)中流过电流，施加磁场，检测出与电流垂直的平方产生的电压信号(非线性霍尔电压) (左)。 作为试料，使用了自旋为三角形取向(右下)的手性反铁磁体Mn3Sn的层叠薄膜(中央) (在Mn3Sn的上层形成Pt )。 今后的发展 迄今为止，虽然量子计量被视为实现非欧姆传导的重要因素，但其效果的实验性阐明还没有进展。 本研究证实，通过利用室温下稳定的Mn3Sn的自旋结构，基于磁场和电导测量这一自旋电子学(注4 )中广泛使用的实验方法，可以在室温环境下灵活控制量子计量。 本研究确立的量子计量室温控制方案，被定位为对至今为止没有探索过的量子计量效果进行实验性阐明的第一步。 希望从这里得到的知识能对整流装置和检测器等利用非欧姆传导的新器件的物质和器件设计有所帮助。 另外，通过理论研究对实验得到的见解进行进一步分析，也有望从数理物理方面对量子计量有所理解。

图3 .本研究检测到的非线性霍尔效应的电压信号行为。 随着温度的变化，在室温(摄氏30度≈绝对温度300度附近)下检测到了较大的信号(左)。 另外，随着磁场的方向，电压信号也发生了变化。 这一举动与作为量子计量效果估算的理论值非常一致(右)。 【谢辞】 本研究是在日本学术振兴会科学研究费资助事业( JP19H05622，JP 22K03538，JP 22KF0035 )、该会外国研究者邀请事业、文部科学省“新一代X-nics半导体创建据点形成事业”No. JPJ011438的支持下进行的。 本研究的所有试样制作及测量均由东北大学进行，根据理论模型进行的分析主要由日本原子能研究开发机构负责。 【用语】 注1 .广义相对论、计量 广义相对论是描述强重力下物体和光的轨道的理论。 通过广义相对论预言，重天体使光的路径弯曲的“引力透镜效应”、重天体运动产生的波“引力波”等，实际上发生在宇宙空间内。 在该广义相对论中，为表示重力效果而引入的四维时空应变为“计量”。 物体和光的轨道用在这个“有变形的时空”中定义的方程式来记述。 注2 .手性反铁磁体 原子以由三角形组合而成的被称为“戈薇晶格”的结构排列，相邻原子所具有的自旋以各偏移120度的形式取向的物质(参照图1 )。 虽然整体上没有磁力，但是具有与显示磁力的物质类似的导电特性，受到了关注。 注3 .波函数 在量子力学中，描述电子等粒子所具有的量子状态的函数。 即使是不具有大小的粒子，波函数在空间内也会有扩展，并呈现出与该扩展相应的概率行为。 注4 .自旋电子学 这是一门以理解物质中电子所具有的电学性质(电荷)和磁性性质(自旋)协同作用而出现的现象，并应用于工学的学术领域。 特别是在以信息( 0，1 )的担当者控制磁性体自旋方向(上下)的磁随机存取存储器( MRAM )和磁传感器等方面的应用具有代表性。 【参考文献】J.P. Provost，G. Vallee，“量子态流形上的黎曼结构”，Commun。数学。《物理学》，第76卷，第3期，第289-301页(1980年)【论文信息】 标题:“room-temperature flexible manipulation of the quantum-metric structure in atopological chiral antiferromagnet (拓扑手性反铁磁体中量子计量结构的室温控制)著者:韩家豪*、**、内村友弘*、荒木安文、尹周永、竹内裕太郎、山根森英士、金井顺、家田俊一、大野秀夫和深见俊介** *: 共同筆頭著者 **責任著者： 東北大学材料科学高等研究所 助教韩嘉豪 東北大学電気通信研究所 教授 深見 俊輔 掲載誌:自然物理学 DOI:10.1038/s41567-024-02476-2网址:https://doi。org/10。1038/s 41567-024-02476-2