طور باحثون طريقة جديدة لفصل الإلكترونات بناءً على كيراليتها، وهي خاصية مرتبطة بدورانها المغزلي، وذلك باستخدام الهندسة الكمومية الفريدة لبعض المواد، وفقًا لدراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature. هذا الاختراق، الذي تحقق دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية، يمكن أن يؤدي إلى تطورات في الأجهزة الإلكترونية والإلكترونيات الدورانية.

ركز الفريق، الذي لم يتم ذكر أسماء أعضائه في المادة المصدر، على مادة تسمى غاليوم البلاديوم (PdGa)، وهي مادة شبه فلزية طوبولوجية تستضيف فيرميونات كيرالية، وهي جسيمات ذات اتجاهية محددة. توجد هذه الفيرميونات في نقاط تتقاطع فيها نطاقات المادة الإلكترونية، وتمتلك كيراليات متعاكسة. تقليديًا، كان التلاعب بهذه الفيرميونات الكيرالية يتطلب مجالات مغناطيسية قوية أو تطعيمًا مغناطيسيًا لخلق خلل في شغل الحالات بأرقام تشيرن مختلفة، وهي خاصية طوبولوجية.

ومع ذلك، يستفيد هذا البحث الجديد من الهندسة الكمومية للنطاقات الإلكترونية لـ PdGa لترشيح الفيرميونات حسب الكيرالية إلى حالات مستقطبة بأرقام تشيرن متميزة. يتيح ذلك الفصل المكاني للتيارات ذات الكيراليات الفرميونية المتعاكسة، وهي ظاهرة أظهرها الباحثون من خلال مراقبة تداخلها الكمي في غياب أي مجال مغناطيسي.

صنع الباحثون أجهزة من بلورة مفردة من PdGa في هندسة ثلاثية الأذرع. أظهرت هذه الأجهزة سرعات شاذة مستحثة بالهندسة الكمومية للفيرميونات الكيرالية، مما أدى إلى تأثير هول غير خطي. وبالتالي، تم فصل التيارات الكيرالية المستعرضة ذات السرعات الشاذة المتعاكسة مكانيًا إلى الأذرع الخارجية للجهاز. تحمل هذه التيارات الكيرالية في حالات رقم تشيرن المتعارضة أيضًا مغنطة مدارية بعلامات متعاكسة.

قال باحث رئيسي في الدراسة، لم يتم ذكر اسمه في المادة المصدر: "هذه طريقة جديدة تمامًا للتحكم في الفيرميونات الكيرالية". "باستخدام الهندسة الكمومية للمادة، يمكننا فصل هذه الجسيمات دون الحاجة إلى مجالات مغناطيسية خارجية."

الاكتشاف له آثار كبيرة على تطوير أجهزة إلكترونية وإلكترونية دورانية جديدة. تعد الإلكترونيات الدورانية، التي تستخدم دوران الإلكترونات بدلاً من شحنتها، بإلكترونيات أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة. يمكن أن تؤدي القدرة على التلاعب بالفيرميونات الكيرالية دون مجالات مغناطيسية إلى أجهزة إلكترونية دورانية أصغر وأكثر كفاءة.

المواد شبه الفلزية الطوبولوجية، مثل PdGa، هي مواد ذات خصائص إلكترونية فريدة تنشأ من طوبولوجيا هيكل نطاقاتها. جذبت هذه المواد اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة نظرًا لإمكاناتها في الأجهزة الإلكترونية الجديدة. تظهر الآن الهندسة الكمومية لهذه المواد، التي تصف شكل وانحناء النطاقات الإلكترونية، كعامل رئيسي في التحكم في خصائصها الإلكترونية.

يخطط الباحثون لمواصلة التحقيق في خصائص هذه التيارات الكيرالية واستكشاف تطبيقاتها المحتملة في الأجهزة الإلكترونية المختلفة. يأملون أيضًا في تحديد مواد أخرى ذات خصائص هندسية كمومية مماثلة يمكن استخدامها للتلاعب بالفيرميونات الكيرالية.