Nel laboratorio dell'Università del Tohoku i fisici hanno per la prima volta costretto un insolito fenomeno quantistico a obbedire ai comandi di una corrente elettrica. Si tratta dell'effetto Hall non lineare quantistico-geometrico, uno stato in cui la tensione in un materiale non cresce in proporzione alla corrente, ma secondo una legge più complessa. Finora si riteneva che questa «geometria» degli elettroni non potesse essere ristrutturata dall'esterno, come non si può ridisegnare la mappa di una città senza demolire le case.
I ricercatori hanno lavorato con film sottili dell'antiferromagnete Mn₃Sn. In questo materiale gli spin degli atomi formano una struttura particolare, strettamente legata alla geometria quantistica degli elettroni. A temperatura ambiente gli scienziati hanno registrato il terzo ordine dell'effetto Hall non lineare: la tensione trasversale è risultata proporzionale al cubo della corrente. I calcoli teorici hanno confermato che l'effetto è realmente generato dalla geometria quantistica e non da comuni meccanismi classici.
Il passo chiave è la commutazione elettrica. Quando attraverso uno strato adiacente di metallo pesante venivano fatti passare brevi impulsi di corrente, si generava un momento spin-orbita che ribaltava la struttura magnetica del Mn₃Sn. Insieme a essa cambiava anche il segno della risposta non lineare. Un impulso positivo dava un segno, uno negativo quello opposto. Così lo stato quantistico-geometrico è diventato per la prima volta controllabile come un normale transistor.
Immaginate un fiume il cui letto possa essere curvato all'istante con una leggera pressione di un pulsante: l'acqua comincia a scorrere non solo in avanti, ma anche di lato secondo una nuova legge. È esattamente così che si comportano gli elettroni nel Mn₃Sn sotto l'azione della corrente. Questa analogia aiuta a capire perché l'effetto sia detto non lineare: la consueta proporzionalità «corrente — tensione» viene meno, aprendo la strada a nuovi tipi di elaborazione dei segnali.
La scoperta unisce geometria quantistica, elettronica non lineare e spintronica. Invece di considerare la geometria quantistica una caratteristica immutabile del materiale, gli scienziati hanno mostrato come la si possa ristrutturare con la corrente. Questo apre la strada a dispositivi compatti — multiplexer di frequenza e raddrizzatori — che funzioneranno più velocemente e in modo più efficiente grazie ai principi della memoria magnetoresistiva.
L'esperimento è stato eseguito su film epitassiali a temperatura ambiente ed è stato pubblicato sulla rivista Newton. Gli autori sottolineano che ora è possibile non solo osservare, ma anche modificare in modo mirato le risposte quantistico-geometriche in tempo reale.
Il lavoro pone le basi per l'elettronica del futuro, in cui le proprietà quantistiche dei materiali non saranno più soltanto oggetto di studio, ma uno strumento di lavoro controllato da una normale corrente.
