Японські дослідники виявили, як слабкі магнітні поля можуть миттєво контролювати напрямок електричного потоку в квантових металах.
Квантові метали-це матеріали, в яких квантові ефекти, як правило, обмежені атомною шкалою, стають досить сильними, щоб впливати на їх масштабну електричну поведінку.
Команда дослідників Японії зараз виявила, як працює електроенергія в унікальному типі квантового металу, відомого як метали Kagome. Їх робота перша, яка продемонструвала, що слабкі магнітні поля можуть перевернути крихітні циркулюючі електричні струми всередині цих матеріалів. Коли це розворота відбувається, він змінює загальні електричні властивості металу і змінює кращий напрямок потоку струму. Це явище, яке називається діодним ефектом, означає, що електроенергія може пройти легше один спосіб, ніж інший.
Вчені також виявили, що квантові геометричні ефекти збільшують цей процес комутації майже на 100 разів. Опубліковано в Праці Національної академії наукДослідження закладає теоретичні основи для майбутніх електронних технологій, які можна керувати за допомогою простих магнітних полів.
Незважаючи на те, що незвичайне магнітне перемикання в металах KAGOME спостерігався в експериментах приблизно з 2020 року, його причина та дивовижна сила залишалися загадкою. Це дослідження надає перше теоретичне пояснення для обох.
Коли розчаровані електрони не можуть осідати
Назва “Kagome Metal” походить від японського слова “Kagome”, що означає “Очі кошика” або “Шаблон кошика”, що стосується традиційної техніки ткацтва бамбука, яка створює замикаючі трикутні конструкції.
Ці метали є особливими, оскільки їх атоми розташовані в цій унікальній схемі переплетення кошика, який створює те, що вчені називають «геометричним розчаруванням»-електронів не може влаштуватися на прості організовані моделі і змушені в більш складні квантові стани, що включають струми петлі.
Коли струми петлі всередині цих металів змінюють напрямок, електрична поведінка металу змінюється. Дослідницька група показала, що струми петлі та хвильові електронні структури (хвилі щільності заряду) працюють разом, щоб порушити основні симетрії в електронній структурі. Вони також виявили, що квантові геометричні ефекти – унікальна поведінка, яка виникає лише в найменших масштабах речовини – значно посилює ефект комутації.
“Кожен раз, коли ми бачили магнітне перемикання, ми знали, що відбувається щось надзвичайне, але ми не могли пояснити, чому”, Хіросі Контані, старший автор та професор з аспірантури науки в Університет Нагоязгадується.
“Кагомі-метали мають вбудовані підсилювачі, які роблять квантові ефекти набагато сильнішими, ніж вони були б у звичайних металах. Поєднання їх кристалічної структури та електронної поведінки дозволяє їм одночасно порушувати певні основні правила фізики, явище, відоме як спонтанна симетрія. Це надзвичайно рідко в природі і пояснює, чому ефект є настільки потужним”.
Метод дослідження включав охолодження металів до надзвичайно низьких температур приблизно -190 ° C. При цій температурі метал Kagome природно розвиває квантові стани, де електрони утворюють циркулюючі струми і створюють хвильові візерунки по всьому матеріалу. Коли вчені застосовують слабкі магнітні поля, вони змінюють напрямок, який ці струми крутяться, і, як наслідок, кращий напрямок потоку струму в зміні металу.
Нові матеріали зустрічаються з новою теорією
Цей прорив квантової фізики був неможливим до недавнього часу, оскільки метали Кагоме були виявлені лише близько 2020 року. Хоча вчені швидко спостерігали таємничий ефект електричного перемикання в експериментах, вони не могли пояснити, як це працює.
Квантові взаємодії залучені дуже складні і потребують вдосконаленого розуміння того, як працюють петля, квантова геометрія та магнітні поля, які працюють разом – знання, яке розвинулося лише в останні роки. Ці ефекти також дуже чутливі до домішок, напруги та зовнішніх умов, що ускладнює їх вивчення.
“Це відкриття сталося тому, що три речі зібралися в потрібний час: ми нарешті мали нові матеріали, вдосконалені теорії, щоб зрозуміти їх, і високотехнологічне обладнання для їх належного вивчення. Жоден з них не існувало разом зовсім недавно, саме тому ніхто не міг вирішити цю головоломку раніше”,-додав професор Контані.
“Магнітне управління електричними властивостями в цих металах може потенційно забезпечити нові типи пристроїв магнітної пам’яті або надчутливі датчики. Наше дослідження забезпечує основне розуміння, необхідне для початку розвитку наступного покоління технології, що контролюється квантовом”,-сказав він.
Довідка: «Гігантські гігантські та оборотні нереципророкальні транспортні явища, спричинені метрикою, у хіральній петлях-петлях металах Кагоме» Ріна Тазай, Ючі Ямава, Такахіро Морімото та Хіросі Контані, 25 серпня 2025, Праці Національної академії наук.
Doi: 10.1073/pnas.2503645122
Фінансування: Міністерство освіти, культури, спорту, науки та технологій Японії, Японського науково -технічного агентства Основні дослідження еволюційної науки та технологій
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
Слідкуйте за нами в Google, Discover та News.
