Forschende haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, und zwar unter Verwendung der Quantengeometrie topologischer Bänder in einem nicht-magnetischen Material. Die Entdeckung, die in einem kürzlich in Nature erschienenen Artikel detailliert beschrieben wird, ebnet den Weg für neue elektronische Bauelemente, die den Elektronenfluss ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern manipulieren, eine übliche Anforderung in der Spintronik.

Das Team, dessen Mitglieder in dem bereitgestellten Ausgangsmaterial nicht genannt werden, erreichte diese Trennung in Bauelementen aus einkristallinem Palladiumgallium (PdGa), die in einer Drei-Arm-Geometrie konfiguriert waren. Diese spezielle Anordnung ermöglichte die Beobachtung von quantengeometrieinduzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führte. Die resultierenden transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten aufweisen, wurden räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt.

Diese Realraumtrennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten wurde durch die Beobachtung ihrer Quanteninterferenz demonstriert, einem Phänomen, das die wellenartigen Eigenschaften von Elektronen hervorhebt, ohne den Einfluss eines externen Magnetfelds. Dies ist eine signifikante Abweichung von traditionellen Methoden, die auf Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen beruhen, um den chiralen Transport in topologischen Systemen zu steuern.

Topologische Semimetalle, die in dieser Forschung verwendete Materialklasse, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Diese Materialien haben aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften in der Physik der kondensierten Materie große Aufmerksamkeit erlangt. Die Fähigkeit, diese Eigenschaften durch Quantengeometrie zu manipulieren, eröffnet neue Wege für die Entwicklung elektronischer und spintronischer Bauelemente.

Die Bedeutung dieser Forschung liegt im Potenzial, energieeffizientere und kompaktere elektronische Bauelemente zu schaffen. Aktuelle spintronische Bauelemente benötigen oft starke Magnetfelder, die Energie verbrauchen und schwer zu miniaturisieren sind. Durch die Nutzung der intrinsischen Quantengeometrie von Materialien wie PdGa können Forschende diese Einschränkungen potenziell überwinden.

Die Forschung unterstreicht auch den Zusammenhang zwischen Chiralität, Orbitalmagnetisierung und Chern-Zahl. Die chiralen Ströme in entgegengesetzten Chern-Zahl-Zuständen, die topologische Invarianten sind, die die elektronische Bandstruktur charakterisieren, tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Dieses Zusammenspiel verschiedener Quanteneigenschaften könnte zu weiteren Entdeckungen und Anwendungen im Bereich der topologischen Materialien führen.

Weitere Forschung ist erforderlich, um das volle Potenzial dieser Technologie zu erforschen und andere Materialien zu identifizieren, die eine ähnliche quantengeometrieinduzierte chirale Trennung aufweisen. Die Ergebnisse des Teams stellen einen bedeutenden Schritt nach vorn bei der Entwicklung neuartiger elektronischer Bauelemente dar, die auf den Prinzipien der Quantenmechanik und der Materialwissenschaft basieren.