Japonští vědci odhalili, jak slabá magnetická pole mohou okamžitě ovládat směr elektrického toku v kvantových kovech.
Kvantové kovy jsou materiály, ve kterých se kvantové účinky, obvykle omezené na atomovou stupnici, stávají dostatečně silné, aby ovlivnily jejich rozsáhlé elektrické chování.
Tým vědců v Japonsku nyní odhalil, jak elektřina funguje v jedinečném typu kvantového kovu známého jako Kagome Metals. Jejich práce je první, kdo prokazuje, že slabá magnetická pole mohou uvnitř těchto materiálů převrátit malé cirkulující elektrické proudy. Když dojde k tomuto obrácení, mění celkové elektrické vlastnosti kovu a změní preferovaný směr proudového toku. Tento jev, nazývaný diodový efekt, znamená, že elektřina může projít snadněji jedním směrem než druhý.
Vědci také zjistili, že kvantové geometrické účinky zvětšují tento proces přepínání téměř 100krát. Publikováno v Sborník Národní akademie vědStudie stanoví teoretické základy pro budoucí elektronické technologie, které by mohly být vedeny pomocí jednoduchých magnetických polí.
Ačkoli neobvyklé magnetické přepínání v Kagome kovech bylo pozorováno v experimentech od roku 2020, jeho příčina a překvapivá síla zůstaly záhadou. Tento výzkum přináší první teoretické vysvětlení obou.
Když se frustrované elektrony nemohou usadit
Jméno „Kagome Metal“ pochází z japonského slova „Kagome“, což znamená „koštá oči“ nebo „koš vzorec“, která odkazuje na tradiční techniku tkaní bambusu, která vytváří vzájemně propojené trojúhelníkové vzory.
Tyto kovy jsou zvláštní, protože jejich atomy jsou uspořádány v tomto jedinečném vzorci koše, který vytváří to, co vědci nazývají „geometrickou frustrací“-elektrony se nemohou usadit v jednoduchých, organizovaných vzorcích a jsou nuceny do složitějších kvantových stavů, které zahrnují smyčky.
Když se smyčka uvnitř těchto kovů změní směr, změní se elektrické chování kovu. Výzkumný tým ukázal, že smyčkové proudy a vlny podobné vlny (vlny hustoty náboje) spolupracují na porušení základních symetrií v elektronické struktuře. Rovněž zjistili, že kvantové geometrické účinky – takové chování, ke kterým dochází pouze v nejmenších měřítcích hmoty – významně zvyšují přepínací efekt.
„Pokaždé, když jsme viděli magnetické přepínání, věděli jsme, že se děje něco mimořádného, ale nedokázali jsme vysvětlit proč,“ Hiroshi Kontani, starší autor a profesor z Graduate School of Science na Nagoya Universityvzpomínal.
„Kovy Kagome mají vestavěné zesilovače, které zvyšují kvantové účinky mnohem silnějším, než by byly v běžných kovech. Kombinace jejich krystalové struktury a elektronického chování jim umožňuje porušit určitá základní pravidla fyziky současně, což je fenomén známý jako lámání symetrie.
Výzkumná metoda zahrnovala ochlazení kovů na extrémně nízké teploty asi -190 ° C. Při této teplotě se kov Kagome přirozeně vyvíjí kvantové stavy, kde elektrony vytvářejí cirkulující proudy a vytvářejí vlnové vzory v celém materiálu. Když vědci aplikují slabá magnetická pole, zvrátí směr, které se tyto proudy točí, a v důsledku toho preferovaný směr proudu toku ve změnách kovu.
Nové materiály splňují novou teorii
Tento průlom v kvantové fyzice nebyl donedávna možný, protože Kagome kovy byly objeveny pouze kolem roku 2020. Zatímco vědci rychle pozorovali záhadný elektrický přepínací účinek v experimentech, nemohli vysvětlit, jak to funguje.
Souhrnné kvantové interakce jsou velmi složité a vyžadují pokročilé pochopení toho, jak spolupracují smyčkové proudy, kvantová geometrie a magnetická pole – znalosti, které se vyvinulo pouze v posledních letech. Tyto účinky jsou také velmi citlivé na nečistoty, napětí a vnější podmínky, což ztěžuje studium.
„K tomuto objevu došlo, protože tři věci se spojily ve správný čas: konečně jsme měli nové materiály, pokročilé teorie, abychom jim porozuměli a high-tech vybavení, které je správně studovalo. Nic z nich neexistovalo společně donedávna, což je důvod, proč tuto hádanku dříve nemohl vyřešit,“ dodal profesor Kontani.
„Magnetická kontrola elektrických vlastností v těchto kovech by mohla potenciálně umožnit nové typy zařízení pro magnetickou paměť nebo ultra citlivé senzory. Naše studie poskytuje základní porozumění potřebné k zahájení vývoje další generace kvantově kontrolované technologie,“ řekl.
Reference: „Giant a reverzibilní nereciprokální transportní jevy vyvolané kvantovou metrikou v chirální smyčkové fázi kovů Kagome“ od Riny Tazai, Youichi Yamakawa, Takahiro Morimoto a Hiroshi Kontani, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025, 25. srpna 2025 Sborník Národní akademie věd.
Doi: 10.1073/pnas.2503645122
Financování: Ministerstvo školství, kultury, sportu, vědy a technologie Japonska, Japonská věda a technologická agentura pro základní výzkum pro evoluční vědu a technologii
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
Sledujte nás Google, Objevita Zprávy.
