Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrer Spinrichtung zusammenhängt, und zwar unter Verwendung der Quantengeometrie topologischer Bänder in einem nichtmagnetischen Material. Dieser Durchbruch, der in einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten und deren anschließende Quanteninterferenz, und das alles ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen, die typischerweise für solche Manipulationen erforderlich sind.

Das Forschungsteam, dessen Mitglieder mehreren Institutionen angehören, demonstrierte dieses Phänomen anhand von Bauelementen, die aus einkristallinem PdGa gefertigt und in einer dreiarmigen Geometrie geformt wurden. Das einzigartige Design nutzt die quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führt. Dieser Effekt bewirkt, dass sich transversale chirale Ströme mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten räumlich in die äußeren Arme des Bauelements trennen.

"Dies ist eine völlig neue Art, den Elektronenfluss zu steuern", sagte [Lead Researcher Name], ein [Researcher Title] am [University/Institution]. "Durch die Nutzung der inhärenten Quanteneigenschaften des Materials können wir Elektronen auf eine Weise manipulieren, die bisher nur mit starken Magnetfeldern möglich war."

Die Bedeutung dieser Entdeckung liegt in ihrem Potenzial, elektronische und spintronische Bauelemente zu revolutionieren. Gegenwärtige Methoden zur Manipulation chiraler Fermionen beruhen oft auf hohen Magnetfeldern, die energieintensiv sind und die Miniaturisierung von Bauelementen einschränken können. Die neue Methode bietet eine effizientere und skalierbarere Alternative.

Topologische Semimetalle, die in dieser Forschung verwendete Materialklasse, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Diese Materialien haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erlangt. Die Innovation des Teams liegt in seiner Fähigkeit, die Quantengeometrie dieser Materialien zu nutzen, um Fermionen nach Chiralität in unterschiedliche Chern-Zahl-polarisierte Zustände zu filtern. Die Chern-Zahl ist eine topologische Invariante, die die elektronische Bandstruktur charakterisiert.

Die räumlich getrennten chiralen Ströme tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was eine weitere Steuerungsebene und potenzielle Anwendungen hinzufügt. Das Team beobachtete die mesoskopische Phasenkohärenz dieser chiralen Ströme, was die Wirksamkeit ihrer Methode weiter bestätigte.

"Die Fähigkeit, chirale Ströme ohne Magnetfelder zu trennen und zu steuern, eröffnet spannende Möglichkeiten für neue Arten von elektronischen Bauelementen", erklärte [Co-author Name], ein [Co-author Title] am [University/Institution]. "Wir sehen Anwendungen in Bereichen wie Quantencomputing, Spintronik und Sensoren."

Die Forscher arbeiten derzeit an der Optimierung des Bauelementdesigns und der Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften. Sie glauben, dass dieser Ansatz auf andere topologische Materialien ausgeweitet werden kann, was den Weg für eine neue Generation elektronischer Bauelemente ebnet, die auf Quantengeometrie basieren. Die nächsten Schritte umfassen weitere Untersuchungen der Materialeigenschaften und die Optimierung der Bauelemente, um die Leistung zu verbessern und potenzielle Anwendungen zu erforschen.