Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, und zwar unter Nutzung der einzigartigen Quantengeometrie topologischer Materialien. Dieser Durchbruch, der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnte zu neuen Arten von elektronischen Bauelementen führen, die den Elektronenfluss ohne Magnetfelder manipulieren.

Das Team, dessen Zugehörigkeiten nicht sofort verfügbar waren, konzentrierte sich auf ein Material namens Palladium-Gallium (PdGa), ein topologisches Halbmetall. Diese Materialien besitzen einzigartige elektronische Bandstrukturen mit Punkten, an denen sich Elektronen so verhalten, als hätten sie keine Masse, und unterschiedliche Chiralitäten aufweisen. Traditionell erforderte die Trennung von Elektronen nach Chiralität starke Magnetfelder oder magnetische Dotierung, was umständlich sein und die Geräteanwendungen einschränken kann.

Stattdessen nutzten die Forscher die Quantengeometrie der elektronischen Bänder von PdGa. Diese Quantengeometrie induziert eine "anomale Geschwindigkeit" in den chiralen Fermionen, wodurch sie sich je nach ihrer Chiralität in verschiedene Richtungen bewegen. Durch die Herstellung von PdGa in einem dreiarmigen Bauelement konnte das Team Ströme von Elektronen mit entgegengesetzten Chiralitäten räumlich in die äußeren Arme trennen.

"Dies ist eine grundlegend neue Art, den Elektronenfluss zu steuern", sagte ein leitender Forscher der Studie. "Durch die Nutzung der intrinsischen Quantengeometrie des Materials können wir eine chiralitätsbasierte Trennung ohne externe Magnetfelder erreichen."

Die Trennung von chiralen Strömen führt auch zur Trennung von Orbitalmagnetisierungen, die mit dem intrinsischen Drehimpuls der Elektronen zusammenhängen. Dies eröffnet Möglichkeiten zur Entwicklung von Bauelementen, die sowohl Ladungs- als auch Spinströme manipulieren.

Topologische Halbmetalle haben in der Physik der kondensierten Materie aufgrund ihrer ungewöhnlichen elektronischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erlangt. Die Bandkreuzungen in diesen Materialien sind durch die Topologie geschützt, was bedeutet, dass sie robust gegenüber kleinen Störungen sind. Dies macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Entwicklung neuer elektronischer Bauelemente.

Das Team demonstrierte die Trennung von chiralen Strömen durch die Beobachtung ihrer Quanteninterferenz, einem Phänomen, das auftritt, wenn sich Elektronen wie Wellen verhalten und miteinander interferieren. Die Interferenzmuster bestätigten, dass Elektronen mit entgegengesetzten Chiralitäten tatsächlich getrennt wurden.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Die Fähigkeit, den Elektronenfluss basierend auf der Chiralität ohne Magnetfelder zu steuern, könnte zu effizienteren und kompakteren elektronischen Bauelementen führen, darunter Sensoren, spintronische Bauelemente und Quantencomputerkomponenten.

Weitere Forschung ist erforderlich, um das volle Potenzial dieser Technologie zu erforschen und andere Materialien mit geeigneter Quantengeometrie für die chirale Trennung zu identifizieren. Das Team plant, die Leistung von PdGa-basierten Bauelementen unter verschiedenen Bedingungen zu untersuchen und neue Gerätearchitekturen zu erforschen.