Tại phòng thí nghiệm của Đại học Tohoku, các nhà vật lý lần đầu tiên đã khiến một hiện tượng lượng tử kỳ lạ tuân theo mệnh lệnh của dòng điện. Đó là hiệu ứng Hall phi tuyến lượng tử - hình học — một trạng thái trong đó điện áp trong vật liệu tăng không tỷ lệ thuận với dòng điện mà theo một quy luật phức tạp hơn. Cho đến nay, người ta vẫn cho rằng không thể tái cấu trúc «hình học» này của các electron từ bên ngoài, cũng như không thể vẽ lại bản đồ thành phố mà không phá dỡ các ngôi nhà.
Các nhà nghiên cứu đã làm việc với các màng mỏng của phản sắt từ Mn₃Sn. Trong vật liệu này, spin của các nguyên tử tạo thành một cấu trúc đặc biệt gắn bó chặt chẽ với hình học lượng tử của các electron. Ở nhiệt độ phòng, các nhà khoa học đã ghi nhận bậc ba của hiệu ứng Hall phi tuyến: điện áp ngang hóa ra tỷ lệ với lập phương của dòng điện. Các tính toán lý thuyết đã xác nhận — hiệu ứng thực sự được sinh ra bởi hình học lượng tử chứ không phải bởi các cơ chế cổ điển thông thường.
Bước then chốt là chuyển mạch bằng điện. Khi cho các xung dòng điện ngắn chạy qua lớp kim loại nặng lân cận, một mômen spin-quỹ đạo xuất hiện, làm đảo ngược cấu trúc từ của Mn₃Sn. Cùng với nó, dấu của đáp ứng phi tuyến cũng thay đổi. Xung dương — một dấu, xung âm — dấu ngược lại. Như vậy, lần đầu tiên trạng thái lượng tử - hình học đã trở nên có thể điều khiển được, giống như một transistor thông thường.
Hãy tưởng tượng một dòng sông mà lòng sông có thể bị bẻ cong tức thời chỉ bằng một cú nhấn nút nhẹ: nước bắt đầu chảy không chỉ về phía trước mà còn sang bên theo một quy luật mới. Đó chính là cách các electron trong Mn₃Sn hành xử dưới tác dụng của dòng điện. Phép so sánh này giúp hiểu tại sao hiệu ứng được gọi là phi tuyến: sự tỷ lệ thuận quen thuộc «dòng điện — điện áp» bị phá vỡ, mở ra con đường cho những kiểu xử lý tín hiệu mới.
Phát hiện này kết nối hình học lượng tử, điện tử phi tuyến và spintronics. Thay vì coi hình học lượng tử là một đặc tính bất biến của vật liệu, các nhà khoa học đã chỉ ra cách có thể tái cấu trúc nó bằng dòng điện. Điều này mở đường cho các thiết bị nhỏ gọn — bộ ghép kênh tần số và bộ chỉnh lưu — sẽ hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm hơn nhờ các nguyên lý của bộ nhớ từ trở.
Thí nghiệm được thực hiện trên các màng epitaxy ở nhiệt độ phòng và được công bố trên tạp chí Newton. Các tác giả nhấn mạnh: giờ đây không chỉ có thể quan sát mà còn có thể chủ động thay đổi các đáp ứng lượng tử - hình học trong thời gian thực.
Công trình này đặt nền móng cho nền điện tử tương lai, nơi các tính chất lượng tử của vật liệu sẽ không chỉ là đối tượng nghiên cứu mà còn là công cụ làm việc, được điều khiển bằng dòng điện thông thường.
