Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, wobei sie die einzigartige Quantengeometrie topologischer Materialien nutzen. Dieser Durchbruch, der in einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten Chiralitäten ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern, was das Design elektronischer Geräte potenziell revolutionieren könnte.

Das Team, dessen Mitglieder mehreren Institutionen angehören, demonstrierte dieses Phänomen anhand von Bauelementen aus einkristallinem Palladiumgallium (PdGa) in einer Drei-Arm-Geometrie. Sie beobachteten, dass die Quantengeometrie der elektronischen Bänder des Materials anomale Geschwindigkeiten in chiralen Fermionen induzierte, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führte. Dieser Effekt trennt transversale chirale Ströme mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten räumlich in die äußeren Arme des Bauelements.

"Dies ist eine völlig neue Art, Elektronen zu manipulieren", sagte [Lead Researcher Name], ein [Researcher Title] am [Institution Name]. "Durch die Nutzung der intrinsischen Quantengeometrie des Materials können wir Elektronen nach ihrer Chiralität filtern und so Möglichkeiten für neue Arten von elektronischen Geräten eröffnen."

Topologische Semimetalle, die in der Studie verwendete Materialklasse, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Traditionell erforderte die Manipulation des chiralen fermionischen Transports starke Magnetfelder oder magnetische Dotierung, um unerwünschten Transport zu unterdrücken und ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit entgegengesetzten Chern-Zahlen zu erzeugen. Die neue Methode umgeht diese Anforderung, indem sie die Quantengeometrie topologischer Bänder nutzt, um Fermionen nach Chiralität in unterschiedliche Chern-Zahl-polarisierte Zustände zu filtern.

Die Bedeutung dieser Forschung liegt in ihrem Potenzial, effizientere und kompaktere elektronische Geräte zu schaffen. Die räumliche Trennung chiraler Ströme könnte zur Entwicklung neuer Arten von Sensoren, spintronischen Bauelementen und Quantencomputerkomponenten führen. Darüber hinaus vereinfacht der Wegfall von Magnetfeldern die Geräteherstellung und reduziert den Energieverbrauch.

Die Ergebnisse des Teams bauen auf früheren Forschungen zu anomalen Geschwindigkeiten in topologischen Materialien auf. Diese Geschwindigkeiten, die durch die Quantengeometrie der elektronischen Bänder induziert werden, bewirken, dass sich Elektronen in unerwartete Richtungen bewegen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. Durch die sorgfältige Gestaltung der Gerätegeometrie und der Materialzusammensetzung konnten die Forscher diese anomalen Geschwindigkeiten nutzen, um chirale Ströme zu trennen.

Die mesoskopische Phasenkohärenz dieser chiralen Ströme in entgegengesetzten Chern-Zahl-Zuständen trägt auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Dies fügt dem System eine weitere Ebene der Komplexität und potenziellen Funktionalität hinzu.

Zukünftige Forschung wird sich auf die Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften und die Optimierung von Gerätedesigns für spezifische Anwendungen konzentrieren. Das Team plant außerdem, das Potenzial für die Nutzung dieser Technologie zur Entwicklung neuer Arten von Quantensensoren und Rechengeräten zu untersuchen.