Forschende 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 der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern, was das Design elektronischer Geräte potenziell revolutionieren könnte.

Das Team, dessen Mitglieder im Ausgangsmaterial nicht namentlich genannt wurden, erreichte dies durch die Herstellung von Bauelementen aus einkristallinem PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie. Dieses spezielle Material und Design nutzen die quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führt. Die transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten besitzen, werden dann räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt.

"Dies ist eine völlig neue Art, Elektronen zu manipulieren", sagte ein an der Studie beteiligter Forscher laut dem Nature-Artikel. "Durch die Nutzung der inhärenten Eigenschaften der Quantengeometrie des Materials können wir Elektronen nach ihrer Chiralität filtern und sie an verschiedene Orte leiten."

Topologische Semimetalle, die in dieser Forschung verwendete Materialklasse, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Traditionell erforderte die Manipulation des chiralen fermionischen Transports starke Magnetfelder oder magnetische Dotierstoffe, um unerwünschte Transporteigenschaften zu überwinden und ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit entgegengesetzten Chern-Zahlen zu erzeugen. Dieser neue Ansatz umgeht diese Anforderungen und bietet eine effizientere und potenziell weniger energieintensive Methode.

Die Trennung chiraler Ströme führt auch zur Trennung von Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Schaffung neuer Arten von Spintronik-Bauelementen, die den Spin von Elektronen anstelle ihrer Ladung zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen nutzen.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend und könnten die Entwicklung effizienterer und kompakterer elektronischer Geräte beeinflussen. Die Fähigkeit, den Elektronenfluss basierend auf der Chiralität ohne Magnetfelder zu steuern, könnte zu Fortschritten in Bereichen wie Quantencomputing, Sensoren und energieeffizienter Elektronik führen.

Weitere Forschungen sind im Gange, um das volle Potenzial dieser quantengeometrisch getriebenen chiralen fermionischen Ventile zu erforschen und ihre Anwendbarkeit auf andere topologische Materialien zu untersuchen. Das Team arbeitet auch an der Skalierung des Geräteherstellungsprozesses, um ihn kommerziell rentabler zu machen.