論文の概要: Ultrafast Current Switching from Quantum Geometry in Semimetals
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.15924v2
- Date: Mon, 20 Apr 2026 17:47:03 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-21 19:27:32.418897
- Title: Ultrafast Current Switching from Quantum Geometry in Semimetals
- Title（参考訳）: 半金属中の量子幾何学からの超高速電流スイッチング
- Authors: Youngjae Kim, Sejoong Kim, Jun-Won Rhim,
- Abstract要約: 非自明な量子幾何学的半金属は、現代のエレクトロニクスと互換性のある電圧で超高速なスイッチングのプラットフォームとして機能する。
スイッチング速度の面では、この量子幾何学的半金属は従来の金属、半導体、グラフェンよりも優れている。
第一原理計算は、2層グラフェン、環状グラフェン、単層ビスマス、V3F8-inを含む現実的な材料プラットフォームを示唆する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.8566949733257492
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Technological progress towards next-generation electronics critically relies on achieving faster switching with reduced energy consumption. Because device operation speeds are fundamentally constrained by the intrinsic properties of constituent materials, identifying systems with inherently superior switching capabilities is essential. Here, we propose that semimetallic systems characterized by non-trivial quantum geometry, including quadratic band-touching semimetals and singular flat bands, can serve as a promising platform for ultrafast switching at voltages compatible with modern electronics. We show that, in such quantum geometric semimetals, an electric current is generated instantaneously upon application of a moderate external electric field, reaching its steady-state value. As a consequence, the current exhibits rapid and stable on-off switching behaviour under periodic optical pulse trains, demonstrating robustness under experimentally feasible conditions. In terms of switching speed, this quantum geometric semimetal outperforms conventional metals, semiconductors, and graphene. We identify the microscopic origin of this behaviour as interband coupling governed by the Hilbert-Schmidt quantum distance, together with a finite density of states at the band-touching point. This mechanism further leads to a universal classification of conductivity for both gapless and gapped quantum geometric semimetals. Finally, first-principles calculations suggest realistic material platforms, including bilayer graphene, cyclic graphene, monolayer bismuth and V3F8-in which the predicted instantaneous current switching can be directly realized, further supported by time-dependent density functional theory simulations performed for representative systems.
- Abstract（参考訳）: 次世代エレクトロニクスへの技術進歩は、エネルギー消費を減らして高速なスイッチングを実現することに依存している。
装置の動作速度は構成材料の本質的な特性によって基本的に制約されるため,本質的に優れた切換能力を有するシステムを特定することが不可欠である。
本稿では,2次バンドタッチ型セミメタルや特異平面バンドなど,非自明な量子幾何学を特徴とする半金属系が,現代の電子回路と互換性のある電圧で超高速スイッチングを行うための有望なプラットフォームとして機能することを提案する。
このような量子幾何学的半金属では、適度な外部電場を適用して瞬時に電流が生成され、その定常値に達することが示される。
その結果、周期的な光パルス列において、電流は急速かつ安定なオンオフスイッチング挙動を示し、実験的に実現可能な条件下で堅牢性を示す。
スイッチング速度の面では、この量子幾何学的半金属は従来の金属、半導体、グラフェンよりも優れている。
この挙動の顕微鏡的起源は、ヒルベルト・シュミット量子距離によって支配されるバンド間カップリングであり、バンドタッチ点における状態の有限密度である。
この機構はさらに、隙間のない量子幾何学的半金属の導電率の普遍的な分類に繋がる。
最後に、第1原理計算は、2層グラフェン、環状グラフェン、単層ビスマス、V3F8-inを含む現実的な物質プラットフォームを示唆する。
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