طور باحثون طريقة جديدة لفصل الإلكترونات بناءً على اللف اليدوي (Chirality) الخاص بها، وهي خاصية مرتبطة بدورانها المغزلي، وذلك باستخدام الهندسة الكمومية للنطاقات الطوبولوجية في مادة غير مغناطيسية. يمهد هذا الاكتشاف، المفصل في مقال حديث في مجلة Nature، الطريق لأجهزة إلكترونية جديدة تعالج تدفق الإلكترونات دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية، وهو شرط شائع في علم الدوران المغزلي للإلكترونيات (Spintronics).

حقق الفريق، الذي لم يتم ذكر أسماء أعضائه في المصدر المقدم، هذا الفصل في أجهزة مصنوعة من غاليوم البلاديوم أحادي البلورة (PdGa) تم تكوينها في شكل هندسي ثلاثي الأذرع. سمح هذا الترتيب المحدد بمراقبة السرعات الشاذة المستحثة بالهندسة الكمومية للفيرميونات اللولبية (Chiral fermions)، مما أدى إلى تأثير هول غير الخطي (Nonlinear Hall effect). تم فصل التيارات اللولبية المستعرضة الناتجة، والتي تمتلك سرعات شاذة معاكسة، مكانيًا إلى الأذرع الخارجية للجهاز.

تم إثبات هذا الفصل الحقيقي للتيارات ذات اللوالب الفرميونية المتعاكسة من خلال مراقبة تداخلها الكمي، وهي ظاهرة تسلط الضوء على الطبيعة الموجية للإلكترونات، دون التأثير من أي مجال مغناطيسي خارجي. يمثل هذا تحولًا كبيرًا عن الطرق التقليدية التي تعتمد على المجالات المغناطيسية أو المطعمات المغناطيسية للتحكم في النقل اللولبي في الأنظمة الطوبولوجية.

تستضيف أشباه الفلزات الطوبولوجية (Topological semimetals)، وهي فئة المواد المستخدمة في هذا البحث، فيرميونات ذات لولبية معاكسة عند تقاطعات النطاقات الطوبولوجية. حظيت هذه المواد باهتمام كبير في فيزياء المادة المكثفة نظرًا لخصائصها الإلكترونية الفريدة. تفتح القدرة على معالجة هذه الخصائص من خلال الهندسة الكمومية طرقًا جديدة لتصميم الأجهزة الإلكترونية وأجهزة الدوران المغزلي للإلكترونيات.

تكمن أهمية هذا البحث في إمكانية إنشاء أجهزة إلكترونية أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر إحكاما. غالبًا ما تتطلب أجهزة الدوران المغزلي للإلكترونيات الحالية مجالات مغناطيسية قوية، تستهلك الطاقة وقد يكون من الصعب تصغيرها. من خلال الاستفادة من الهندسة الكمومية الجوهرية للمواد مثل PdGa، يمكن للباحثين التغلب على هذه القيود.

يسلط البحث أيضًا الضوء على العلاقة بين اللف اليدوي (Chirality) والتمغنط المداري (Orbital magnetization) ورقم تشيرن (Chern number). تحمل التيارات اللولبية في حالات رقم تشيرن المعاكسة، وهي ثوابت طوبولوجية تميز هيكل النطاق الإلكتروني، أيضًا تمغنطات مدارية بعلامات معاكسة. يمكن أن يؤدي هذا التفاعل بين الخصائص الكمومية المختلفة إلى مزيد من الاكتشافات والتطبيقات في مجال المواد الطوبولوجية.

هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الإمكانات الكاملة لهذه التكنولوجيا ولتحديد المواد الأخرى التي تظهر فصلًا لولبيًا مشابهًا مستحثًا بالهندسة الكمومية. تمثل نتائج الفريق خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير أجهزة إلكترونية جديدة تعتمد على مبادئ ميكانيكا الكم وعلوم المواد.