Forschende 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 einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, 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 Mitglieder in dem bereitgestellten Abstract nicht genannt werden, erreichte dies durch die Herstellung von Bauelementen aus einkristallinem PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie. Diese spezifische Geometrie nutzt die quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führt. Die resultierenden transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten aufweisen, werden dann räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt.

"Diese Forschung demonstriert die Möglichkeit, Elektronen basierend auf ihren intrinsischen Quanteneigenschaften zu manipulieren, und eröffnet neue Wege für fortschrittliche elektronische Geräte", heißt es in einer im Abstract enthaltenen Erklärung.

Die Bedeutung dieser Forschung liegt in ihrer Abkehr von traditionellen Methoden der chiralen Trennung, die oft auf starke Magnetfelder oder magnetische Dotierstoffe angewiesen sind. Diese Methoden können aufgrund ihres Energieverbrauchs und potenzieller Interferenzen mit der Geräteperformance einschränkend sein. Der neue Ansatz, der die Quantengeometrie nutzt, bietet eine energieeffizientere und potenziell präzisere Möglichkeit, den Elektronenfluss zu steuern.

Topologische Semimetalle, die in diesem Experiment verwendeten Materialien, zeichnen sich durch einzigartige elektronische Bandstrukturen mit Punkten aus, an denen sich Bänder kreuzen. Diese Kreuzungen beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten. Die Quantengeometrie dieser Bänder spielt eine entscheidende Rolle bei der Filterung von Fermionen nach Chiralität in unterschiedliche Chern-Zahl-polarisierte Zustände, die für den Trennungsprozess unerlässlich sind.

Das Team beobachtete die Quanteninterferenz dieser getrennten chiralen Ströme, was die Effektivität ihrer Methode weiter bestätigte. Diese Beobachtung wurde in Abwesenheit eines Magnetfelds gemacht, was das Potenzial für die Schaffung effizienterer und weniger energieintensiver elektronischer Geräte hervorhebt.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf verschiedene Bereiche, darunter die Spintronik und das Quantencomputing. Die Fähigkeit, chirale Ströme zu steuern und zu manipulieren, könnte zur Entwicklung neuer Arten von elektronischen Geräten mit erweiterten Funktionalitäten führen. Weitere Forschung wird sich auf die Optimierung des Gerätedesigns und die Erforschung anderer topologischer Materialien konzentrieren, um die Trenneffizienz zu verbessern und den Anwendungsbereich zu erweitern.