“Sesuatu yang luar biasa sedang terjadi” – para ilmuwan memecahkan misteri logam kuantum

Peneliti Jepang telah mengungkapkan bagaimana medan magnet yang lemah dapat secara instan mengontrol arah aliran listrik dalam logam kuantum.

Logam kuantum adalah bahan di mana efek kuantum, biasanya terbatas pada skala atom, menjadi cukup kuat untuk mempengaruhi perilaku listrik skala besar mereka.

Sebuah tim peneliti di Jepang kini telah mengungkap bagaimana listrik beroperasi dalam jenis logam kuantum yang unik yang dikenal sebagai logam kagome. Pekerjaan mereka adalah yang pertama menunjukkan bahwa medan magnet yang lemah dapat membalik arus listrik yang bersirkulasi kecil di dalam bahan -bahan ini. Ketika pembalikan ini terjadi, ia mengubah sifat listrik keseluruhan dari logam dan mengubah arah aliran arus yang disukai. Fenomena ini, yang disebut efek dioda, berarti listrik dapat melewati lebih mudah satu arah daripada yang lain.

Para ilmuwan juga menemukan bahwa efek geometris kuantum memperbesar proses switching ini hampir 100 kali. Diterbitkan di Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasionalpenelitian ini meletakkan dasar teoretis untuk teknologi elektronik di masa depan yang dapat dipandu menggunakan medan magnet sederhana.

Meskipun switching magnetik yang tidak biasa dalam logam kagome telah diamati dalam percobaan sejak sekitar tahun 2020, penyebabnya dan kekuatan yang mengejutkan tetap menjadi misteri. Penelitian ini memberikan penjelasan teoretis pertama untuk keduanya.

Saat elektron frustrasi tidak bisa menyelesaikan

Nama “Kagome Metal” berasal dari kata Jepang “kagome,” yang berarti “mata keranjang” atau “pola keranjang,” yang mengacu pada teknik tenun bambu tradisional yang menciptakan desain segitiga yang saling terkait.

Logam-logam ini istimewa karena atom-atomnya disusun dalam pola tenun keranjang unik ini yang menciptakan apa yang oleh para ilmuwan disebut sebagai “frustrasi geometris” —Electron tidak dapat puas dengan pola sederhana dan terorganisir dan dipaksa ke dalam keadaan kuantum yang lebih kompleks yang mencakup arus loop.

Ketika loop arus di dalam logam ini mengubah arah, perilaku listrik logam berubah. Tim peneliti menunjukkan bahwa arus loop dan pola elektron seperti gelombang (gelombang kepadatan muatan) bekerja bersama untuk memecahkan simetri mendasar dalam struktur elektronik. Mereka juga menemukan bahwa efek geometris kuantum – perilaku unik yang hanya terjadi pada skala materi terkecil – secara signifikan meningkatkan efek switching.

“Setiap kali kami melihat pergantian magnetik, kami tahu sesuatu yang luar biasa sedang terjadi, tetapi kami tidak bisa menjelaskan mengapa,” Hiroshi Kontani, penulis senior dan profesor dari Sekolah Pascasarjana Sains di Universitas Nagoyakenang.

“Logam Kagome memiliki amplifier bawaan yang membuat efek kuantum jauh lebih kuat daripada yang ada dalam logam biasa. Kombinasi struktur kristal dan perilaku elektronik mereka memungkinkan mereka untuk melanggar aturan inti fisika tertentu secara bersamaan, sebuah fenomena yang dikenal sebagai pemecahan simetri spontan. Ini sangat jarang di alam dan menjelaskan mengapa efeknya kuat.”

Metode penelitian melibatkan pendinginan logam hingga suhu yang sangat rendah sekitar -190 ° C. Pada suhu ini, logam kagome secara alami mengembangkan keadaan kuantum di mana elektron membentuk arus yang bersirkulasi dan membuat pola seperti gelombang di seluruh material. Ketika para ilmuwan menerapkan medan magnet yang lemah, mereka membalikkan arah arus ini berputar, dan sebagai hasilnya, arah aliran arus yang disukai dalam perubahan logam.

Bahan baru memenuhi teori baru

Terobosan dalam fisika kuantum ini tidak dimungkinkan sampai saat ini karena logam kagome hanya ditemukan sekitar tahun 2020. Sementara para ilmuwan dengan cepat mengamati efek switching listrik misterius dalam percobaan, mereka tidak dapat menjelaskan cara kerjanya.

Interaksi kuantum yang terlibat sangat kompleks dan membutuhkan pemahaman yang lebih lanjut tentang bagaimana arus loop, geometri kuantum, dan medan magnet bekerja bersama – pengetahuan yang hanya berkembang dalam beberapa tahun terakhir. Efek ini juga sangat sensitif terhadap kotoran, ketegangan, dan kondisi eksternal, yang membuatnya sulit dipelajari.

“Penemuan ini terjadi karena tiga hal datang bersama pada waktu yang tepat: kami akhirnya memiliki bahan baru, teori-teori canggih untuk memahaminya, dan peralatan berteknologi tinggi untuk mempelajarinya dengan benar. Tidak ada yang ada bersama-sama sampai baru-baru ini, itulah sebabnya tidak ada yang bisa menyelesaikan teka-teki ini sebelumnya,” tambah Profesor Kontani.

“Kontrol magnetik sifat listrik dalam logam ini berpotensi memungkinkan jenis baru perangkat memori magnetik atau sensor ultra-sensitif. Studi kami memberikan pemahaman mendasar yang diperlukan untuk mulai mengembangkan generasi berikutnya dari teknologi yang dikendalikan kuantum,” katanya.

Referensi: “Fenomena transportasi raksasa yang diinduksi metrik dan reversibel non-reciprocal dalam fase loop loop kiral logam kagome” oleh Rina Tazai, Youichi Yamakawa, Takahiro Morimoto dan Hiroshi Kontani, 25 Agustus 2025, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
Doi: 10.1073/pnas.2503645122

Pendanaan: Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains dan Teknologi Jepang, Badan Sains dan Teknologi Jepang Riset Inti untuk Ilmu dan Teknologi Evolusioner

Jangan pernah melewatkan terobosan: Bergabunglah dengan buletin ScitechDaily.
Ikuti kami di google, temukan, dan berita.