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 bestimmter Materialien nutzen. Dies geht aus einer neuen Studie hervor, die in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde. Dieser Durchbruch, der ohne Magnetfelder erzielt wurde, könnte zu Fortschritten in der Elektronik und Spintronik führen.

Das Team, dessen Mitglieder in dem Quellenmaterial nicht genannt werden, konzentrierte sich auf ein Material namens Palladiumgallium (PdGa), ein topologisches Halbmetall, das chirale Fermionen beherbergt, also Teilchen mit einer definierten Händigkeit. Diese Fermionen existieren an Punkten, an denen sich die elektronischen Bänder des Materials kreuzen, und besitzen entgegengesetzte Chiralitäten. Traditionell erforderte die Manipulation dieser chiralen Fermionen starke Magnetfelder oder magnetische Dotierung, um ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit unterschiedlichen Chern-Zahlen, einer topologischen Eigenschaft, zu erzeugen.

Diese neue Forschung nutzt jedoch die Quantengeometrie der elektronischen Bänder von PdGa, um Fermionen nach Chiralität in verschiedene Chern-Zahl-polarisierte Zustände zu filtern. Dies ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten, ein Phänomen, das die Forscher durch die Beobachtung ihrer Quanteninterferenz in Abwesenheit jeglichen Magnetfelds demonstrierten.

Die Forscher fertigten 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 transversalen chiralen Ströme mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten wurden dadurch räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt. Diese chiralen Ströme in entgegengesetzten Chern-Zahl-Zuständen tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen.

"Dies ist eine völlig neue Art, chirale Fermionen zu kontrollieren", sagte ein leitender Forscher der Studie, der in dem Quellenmaterial nicht genannt wurde. "Durch die Nutzung der Quantengeometrie des Materials können wir diese Teilchen trennen, ohne dass externe Magnetfelder erforderlich sind."

Die Entdeckung hat erhebliche Auswirkungen auf die Entwicklung neuer elektronischer und spintronischer Bauelemente. Die Spintronik, die den Spin von Elektronen anstelle ihrer Ladung nutzt, verspricht schnellere und energieeffizientere Elektronik. Die Fähigkeit, chirale Fermionen ohne Magnetfelder zu manipulieren, könnte zu kleineren, effizienteren spintronischen Bauelementen führen.

Topologische Halbmetalle wie PdGa sind Materialien mit einzigartigen elektronischen Eigenschaften, die sich aus der Topologie ihrer Bandstruktur ergeben. Diese Materialien haben in den letzten Jahren aufgrund ihres Potenzials für neuartige elektronische Bauelemente große Aufmerksamkeit erregt. Die Quantengeometrie dieser Materialien, die die Form und Krümmung der elektronischen Bänder beschreibt, entwickelt sich nun zu einem Schlüsselfaktor bei der Steuerung ihrer elektronischen Eigenschaften.

Die Forscher planen, die Eigenschaften dieser chiralen Ströme weiter zu untersuchen und ihre potenziellen Anwendungen in verschiedenen elektronischen Bauelementen zu erforschen. Sie hoffen auch, andere Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften zu identifizieren, die zur Manipulation chiraler Fermionen verwendet werden könnten.