东北大学和日本原子能机构的研究人员开发了操纵“电子宇宙”几何形状的基础实验和理论，该几何形状在数学上类似于实际宇宙的方式描述了电子量子态的结构，在磁性材料内环境条件。

所研究的几何特性(即量子度量)被检测为与普通电传导不同的电信号。这一突破揭示了电子的基础量子科学，并为利用量子度量中出现的非常规传导设计创新的自旋电子器件铺平了道路。

详细信息发表在2024 年 4 月 22 日的《自然物理学》杂志上。

导电对于许多设备至关重要，它遵循欧姆定律：电流与施加的电压成正比。但为了实现新设备，科学家们必须找到一种超越这一定律的方法。这就是量子力学的用武之地。一种称为量子度量的独特量子几何结构可以产生非欧姆传导。这种量子度量是材料本身固有的属性，表明它是材料量子结构的基本特征。

“量子度量”一词的灵感来自广义相对论中的“度量”概念，它解释了宇宙的几何形状在强引力(例如黑洞周围的引力)的影响下如何扭曲。同样，在设计材料内的非欧姆传导时，理解和利用量子度量变得势在必行。该度量描绘了“电子宇宙”的几何形状，类似于物理宇宙。具体来说，挑战在于操纵单个设备内的量子计量结构并辨别其对室温下导电的影响。

研究小组报告了在室温下成功操控由奇异磁铁 Mn3Sn 和重金属 Pt 组成的薄膜异质结构中的量子度量结构。当与 Pt 相邻时，Mn3Sn 表现出重要的磁性结构，并受到所施加的磁场的剧烈调制。他们检测并磁控制了一种称为二阶霍尔效应的非欧姆传导，其中电压对所施加的电流做出正交和二次响应。通过理论建模，他们证实观测结果可以完全由量子度量来描述。

“我们的二阶霍尔效应源自量子度量结构，该结构与 Mn3Sn/Pt 界面处的特定磁性纹理耦合。因此，我们可以通过自旋电子方法修改材料的磁性结构来灵活地操纵量子度量，并验证这种操纵在二阶霍尔效应的磁控制中，”这项研究的主要作者 Jiahao Han 解释道。

理论分析的主要贡献者荒木康文补充道：“理论预测将量子度量视为一个基本概念，它将实验中测量的材料特性与数学物理中研究的几何结构联系起来。然而，在实验中证实其证据仍然存在我希望我们获取量子度量的实验方法能够推进此类理论研究。”

首席研究员 Shunsuke Fukami 进一步补充道：“到目前为止，量子度量一直被认为是固有的且不可控的，就像宇宙一样，但我们现在需要改变这种看法。我们的发现，特别是室温下的灵活控制，可能会提供未来开发整流器和探测器等功能器件的新机会。”