Forschende haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, ohne dass Magnetfelder erforderlich sind. Der Durchbruch, der in einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, nutzt die Quantengeometrie topologischer Bänder in einem Material namens Palladiumgallium (PdGa), um Elektronen mit entgegengesetzten Chiralitäten zu filtern und in unterschiedliche, räumlich getrennte Pfade zu lenken.
Dieser neue Ansatz überwindet laut der Studie die Einschränkungen bisheriger Methoden, die auf starken Magnetfeldern oder magnetischer Dotierung beruhten, um den chiralen fermionischen Transport zu steuern. Durch die Nutzung der inhärenten Quanteneigenschaften des Materials erreichte das Team eine Realraumtrennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten und beobachtete deren Quanteninterferenz.
Das Forschungsteam fertigte Bauelemente aus einkristallinem PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie. Diese Bauelemente zeigten quantengeometrieinduzierte anomale Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führte. Die resultierenden transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten aufwiesen, wurden räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt.
"Dies ist eine grundlegend neue Art, den Elektronenfluss zu steuern", sagte [Name des leitenden Forschers, falls verfügbar, andernfalls ein Platzhalter wie "ein leitender Forscher des Projekts"], "[Zitat über die Bedeutung der Forschung, z. B. 'Dies eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung energieeffizienterer und kompakterer elektronischer Geräte.']"
Die Trennung chiraler Ströme führt auch zur Trennung von Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was eine weitere Dimension zur Steuerung des Elektronenverhaltens hinzufügt.
Topologische Semimetalle, zu denen PdGa gehört, 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, chirale Fermionen innerhalb dieser Materialien zu manipulieren, könnte zu Fortschritten bei elektronischen und spintronischen Bauelementen führen.
Die Ergebnisse des Teams deuten auf potenzielle Anwendungen bei der Entwicklung neuer Arten von elektronischen Bauelementen hin, die die einzigartigen Eigenschaften chiraler Fermionen nutzen. Die weitere Forschung wird sich auf die Optimierung des Bauelementdesigns und die Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften konzentrieren. Die Forschenden glauben, dass diese Arbeit den Weg für effizientere und kompaktere elektronische Geräte ebnen könnte, die zusätzlich zu ihrer Ladung auch den Spin von Elektronen nutzen.
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