Im Labor der Universität Tohoku haben Physiker erstmals ein ungewöhnliches Quantenphänomen dazu gebracht, den Befehlen eines elektrischen Stroms zu gehorchen. Die Rede ist vom nichtlinearen quantengeometrischen Hall-Effekt – einem Zustand, in dem die Spannung im Material nicht proportional zum Strom wächst, sondern nach einem komplexeren Gesetz. Bislang galt, dass sich diese „Geometrie“ der Elektronen nicht von außen umgestalten lässt, so wie man den Stadtplan nicht neu zeichnen kann, ohne Häuser abzureißen.
Die Forscher arbeiteten mit dünnen Filmen des Antiferromagneten Mn₃Sn. In diesem Material bilden die Spins der Atome eine besondere Struktur, die eng mit der Quantengeometrie der Elektronen verbunden ist. Bei Raumtemperatur registrierten die Wissenschaftler die dritte Ordnung des nichtlinearen Hall-Effekts: Die Querspannung erwies sich als proportional zur dritten Potenz des Stroms. Theoretische Berechnungen bestätigten, dass der Effekt tatsächlich durch die Quantengeometrie und nicht durch gewöhnliche klassische Mechanismen hervorgerufen wird.
Der entscheidende Schritt war das elektrische Umschalten. Als man durch eine benachbarte Schicht aus Schwermetall kurze Stromimpulse schickte, entstand ein Spin-Bahn-Moment, der die magnetische Struktur von Mn₃Sn umdrehte. Mit ihr änderte sich auch das Vorzeichen der nichtlinearen Antwort. Ein positiver Impuls – ein Vorzeichen, ein negativer – das entgegengesetzte. So wurde der quantengeometrische Zustand erstmals steuerbar wie ein gewöhnlicher Transistor.
Man stelle sich einen Fluss vor, dessen Bett sich mit einem leichten Knopfdruck augenblicklich krümmen lässt: Das Wasser beginnt nicht nur vorwärts, sondern auch seitwärts nach einem neuen Gesetz zu fließen. Genau so verhalten sich die Elektronen in Mn₃Sn unter der Wirkung des Stroms. Diese Analogie hilft zu verstehen, warum der Effekt nichtlinear genannt wird: Die gewohnte Proportionalität „Strom – Spannung“ wird durchbrochen, was den Weg zu neuen Arten der Signalverarbeitung eröffnet.
Die Entdeckung verbindet Quantengeometrie, nichtlineare Elektronik und Spintronik. Statt die Quantengeometrie als unveränderliche Eigenschaft des Materials zu betrachten, zeigten die Wissenschaftler, wie sie sich durch Strom umgestalten lässt. Das ebnet den Weg zu kompakten Bauelementen – Frequenzmultiplexern und Gleichrichtern, die dank der Prinzipien des magnetoresistiven Speichers schneller und sparsamer arbeiten werden.
Das Experiment wurde an epitaktischen Filmen bei Raumtemperatur durchgeführt und in der Zeitschrift Newton veröffentlicht. Die Autoren betonen: Nun lässt sich nicht nur beobachten, sondern auch gezielt in Echtzeit auf quantengeometrische Antworten einwirken.
Die Arbeit legt die Grundlage für eine künftige Elektronik, in der die Quanteneigenschaften von Materialien nicht mehr nur Gegenstand der Forschung, sondern ein Arbeitswerkzeug sind, das sich mit gewöhnlichem Strom steuern lässt.
