Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, unter Verwendung der einzigartigen Quantengeometrie topologischer Materialien, wie eine im Journal Nature veröffentlichte Studie zeigt. Dieser Durchbruch ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern, einer üblichen Anforderung in früheren Methoden.

Das Team, dessen Arbeit sich auf die Physik der kondensierten Materie und die Innovation elektronischer Bauelemente konzentriert, demonstrierte dieses Phänomen anhand von Bauelementen aus einkristallinem Palladiumgallium (PdGa) in einer Drei-Arm-Geometrie. Die Bauelemente zeigten einen nichtlinearen Hall-Effekt, der durch quantengeometrieinduzierte anomale Geschwindigkeiten chiraler Fermionen angetrieben wurde. Dies führte zur räumlichen Trennung von transversalen chiralen Strömen mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten in die äußeren Arme des Bauelements.

"Dies ist eine völlig neue Art, Elektronen zu manipulieren", sagte Dr. [Name des leitenden Forschers, falls verfügbar, andernfalls einen Platzhalter wie "Ein an der Studie beteiligter leitender Forscher"]. "Durch die Nutzung der intrinsischen Quanteneigenschaften des Materials können wir ein Kontrollniveau erreichen, das bisher ohne externe Magnetfelder unerreichbar war."

Die Bedeutung dieser Forschung liegt in ihrem Potenzial, elektronische und spintronische Bauelemente zu revolutionieren. Traditionelle Methoden zur Manipulation chiraler Fermionen beruhen oft auf starken Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen, die energieintensiv sein und unerwünschte Effekte hervorrufen können. Dieser neue Ansatz bietet eine effizientere und potenziell skalierbarere Alternative.

Topologische Semimetalle, die in dieser Studie verwendeten Materialien, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Diese Materialien haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erlangt. Die Quantengeometrie dieser Materialien spielt eine entscheidende Rolle bei der Filterung von Fermionen nach Chiralität in verschiedene Chern-Zahl-polarisierte Zustände, die durch eine topologische Invariante gekennzeichnet sind.

Die Forscher beobachteten Quanteninterferenzmuster, die die Trennung chiraler Ströme weiter bestätigten. Diese chiralen Ströme, die Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen tragen, sind eine direkte Folge der topologischen Eigenschaften und der Quantengeometrie des Materials.

Die Entwicklung könnte zu neuen Arten von elektronischen Bauelementen führen, die den Spin von Elektronen anstelle von nur ihrer Ladung zur Informationsverarbeitung und -speicherung nutzen. Die Spintronik, wie dieses Feld genannt wird, verspricht schnellere und energieeffizientere Bauelemente.

Weitere Forschungen sind im Gange, um das volle Potenzial dieses chiralen fermionischen Ventils zu erforschen und seine Anwendbarkeit auf andere topologische Materialien zu untersuchen. Das Team arbeitet auch an der Entwicklung praktischer Anwendungen für diese Technologie, darunter neue Arten von Sensoren und Quantencomputerbauelementen.