طور باحثون طريقة جديدة لفصل الإلكترونات بناءً على اللولبية (chirality) الخاصة بها، وهي خاصية مرتبطة بدورانها المغزلي، وذلك باستخدام الهندسة الكمومية الفريدة للمواد الطوبولوجية. هذا الاختراق، الذي نُشر في مجلة Nature، يمكن أن يؤدي إلى أنواع جديدة من الأجهزة الإلكترونية التي تتحكم في تدفق الإلكترونات دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية.

ركز الفريق، الذي لم تتوفر انتماءاته على الفور، على مادة تسمى غاليوم البلاديوم (PdGa)، وهي شبه فلز طوبولوجي. تمتلك هذه المواد هياكل نطاقات إلكترونية فريدة من نوعها مع نقاط تتصرف فيها الإلكترونات كما لو لم يكن لها كتلة وتظهر لولبية مميزة. تقليديًا، كان فصل الإلكترونات حسب اللولبية يتطلب مجالات مغناطيسية قوية أو تطعيمًا مغناطيسيًا، الأمر الذي قد يكون مرهقًا ويحد من تطبيقات الجهاز.

بدلاً من ذلك، سخر الباحثون الهندسة الكمومية للنطاقات الإلكترونية لـ PdGa. تحفز هذه الهندسة الكمومية "سرعة شاذة" في الفرميونات اللولبية، مما يتسبب في تحركها في اتجاهات مختلفة بناءً على لولبيتها. من خلال تصنيع PdGa في جهاز ثلاثي الأذرع، تمكن الفريق من فصل تيارات الإلكترونات ذات اللولبية المتعاكسة مكانيًا إلى الأذرع الخارجية.

قال باحث رئيسي في الدراسة: "هذه طريقة جديدة تمامًا للتحكم في تدفق الإلكترونات". "من خلال استغلال الهندسة الكمومية الجوهرية للمادة، يمكننا تحقيق فصل قائم على اللولبية دون مجالات مغناطيسية خارجية."

يؤدي فصل التيارات اللولبية أيضًا إلى فصل المغنطة المدارية، والتي ترتبط بالزخم الزاوي الجوهري للإلكترونات. هذا يفتح إمكانيات لإنشاء أجهزة تتحكم في كل من الشحنة والتيارات المغزلية.

حظيت أشباه الفلزات الطوبولوجية باهتمام كبير في فيزياء المادة المكثفة نظرًا لخصائصها الإلكترونية غير العادية. إن تقاطعات النطاقات في هذه المواد محمية بالطوبولوجيا، مما يعني أنها قوية ضد الاضطرابات الصغيرة. هذا يجعلها مرشحة واعدة لتطوير أجهزة إلكترونية جديدة.

أظهر الفريق فصل التيارات اللولبية من خلال مراقبة تداخلها الكمي، وهي ظاهرة تحدث عندما تتصرف الإلكترونات كموجات وتتداخل مع بعضها البعض. أكدت أنماط التداخل أن الإلكترونات ذات اللولبية المتعاكسة كانت بالفعل منفصلة.

إن الآثار المترتبة على هذا البحث بعيدة المدى. إن القدرة على التحكم في تدفق الإلكترونات بناءً على اللولبية دون مجالات مغناطيسية يمكن أن تؤدي إلى أجهزة إلكترونية أكثر كفاءة وصغرًا، بما في ذلك المستشعرات والأجهزة المغزلية ومكونات الحوسبة الكمومية.

هناك حاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف الإمكانات الكاملة لهذه التكنولوجيا ولتحديد مواد أخرى ذات هندسة كمومية مناسبة للفصل اللولبي. يخطط الفريق للتحقيق في أداء الأجهزة القائمة على PdGa في ظل ظروف مختلفة ولاستكشاف تصميمات جديدة للأجهزة.