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 potenziell das Design elektronischer Geräte revolutionieren könnte.

Das Team, dessen Zugehörigkeiten nicht sofort verfügbar waren, erreichte dies durch die Herstellung von Bauelementen aus einkristallinem PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie. Dieses spezifische Material und diese Konfiguration nutzen die quantengeometrieinduzierten 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 leitender Forscher der Studie. "Durch die Nutzung der inhärenten Eigenschaften der Quantengeometrie des Materials können wir Elektronen nach ihrer Chiralität filtern und sie an verschiedene Orte leiten."

Die Bedeutung dieser Forschung liegt in ihrer Abkehr von traditionellen Methoden der chiralen Trennung, die oft auf starken Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen beruhen. Diese Methoden können energieintensiv sein und unerwünschte Komplexitäten in elektronische Systeme einführen. Der neue Ansatz bietet eine effizientere und potenziell skalierbarere Alternative.

Topologische Materialien wie PdGa besitzen einzigartige elektronische Eigenschaften, die sich aus ihrer Bandstruktur ergeben. Diese Materialien beherbergen chirale Fermionen an topologischen Bandkreuzungen, was bedeutet, dass sich Elektronen so verhalten, als hätten sie eine definierte "Händigkeit". Die Quantengeometrie dieser Bänder spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung der Bewegung dieser chiralen Fermionen.

Die getrennten chiralen Ströme tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was Möglichkeiten für spintronische Bauelemente eröffnet, die den Spin von Elektronen zur Informationsverarbeitung und -speicherung nutzen. Dies könnte zur Entwicklung energieeffizienterer und schnellerer elektronischer Geräte führen.

Obwohl sich die Forschung noch in einem frühen Stadium befindet, sind die Auswirkungen weitreichend. Die Fähigkeit, chirale Ströme ohne Magnetfelder zu steuern und zu manipulieren, könnte zu Fortschritten in verschiedenen Bereichen führen, darunter Quantencomputing, Sensoren und andere elektronische Anwendungen. Das Team arbeitet derzeit daran, andere Materialien und Bauelementgeometrien zu erforschen, um den chiralen Trennungsprozess weiter zu optimieren und potenzielle Anwendungen zu untersuchen.