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. Dieser Durchbruch, der in einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, nutzt die Quantengeometrie topologischer Bänder in einem Material namens Palladiumgallid (PdGa), um Elektronen mit entgegengesetzten Chiralitäten zu filtern und in verschiedene Bahnen zu lenken.

Das Forschungsteam, dessen Mitglieder für eine sofortige Stellungnahme nicht zur Verfügung standen, demonstrierte dieses Phänomen durch die Herstellung von PdGa-Bauelementen in einer Drei-Arm-Geometrie. Diese Bauelemente zeigten einen nichtlinearen Hall-Effekt, ein Phänomen, bei dem der elektrische Strom nicht direkt proportional zur angelegten Spannung ist. Dieser Effekt entsteht durch die quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zur räumlichen Trennung von transversalen chiralen Strömen mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten in die äußeren Arme des Bauelements führt.

Chiralität bezieht sich im Kontext von Elektronen auf eine "Händigkeit", bei der Elektronen entweder eine links- oder eine rechtshändige Spinorientierung relativ zu ihrer Bewegungsrichtung haben können. Die Trennung von Elektronen basierend auf der Chiralität hat potenzielle Anwendungen in der Spintronik, einem Gebiet, das darauf abzielt, den Spin von Elektronen anstelle ihrer Ladung zu nutzen, um neue elektronische Bauelemente zu entwickeln. Traditionelle Methoden zur Manipulation chiraler Elektronen beruhen oft auf starken Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen, was energieintensiv sein und unerwünschte Effekte verursachen kann.

Die neue Methode überwindet diese Einschränkungen, indem sie die intrinsische Quantengeometrie der elektronischen Bänder in PdGa ausnutzt. Diese Quantengeometrie wirkt wie ein Filter und leitet Elektronen mit unterschiedlichen Chiralitäten in separate Kanäle. Die getrennten chiralen Ströme tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was das Potenzial für spintronische Anwendungen weiter erhöht.

Das Team beobachtete Quanteninterferenzmuster, die die Trennung chiraler Ströme in Abwesenheit jeglichen Magnetfelds bestätigten. Diese Beobachtung liefert einen direkten Beweis für die Wirksamkeit des quantengeometrisch basierten chiralen Filters.

Experten glauben, dass diese Entdeckung den Weg für energieeffizientere und kompaktere spintronische Bauelemente ebnen könnte. Die Fähigkeit, chirale Elektronen ohne Magnetfelder zu manipulieren, eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer Komponenten, wie z. B. spinbasierte Transistoren und Speicherbauelemente.

Weitere Forschungen sind im Gange, um das Potenzial dieser Technologie zu erforschen und andere Materialien zu identifizieren, die ähnliche quantengeometrische Eigenschaften aufweisen. Das Team arbeitet auch an der Optimierung des Bauelementdesigns, um die Effizienz der chiralen Trennung zu verbessern und potenzielle Anwendungen in verschiedenen spintronischen Bauelementen zu erforschen.