Forschende haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, wobei sie die Quantengeometrie topologischer Bänder in einem nicht-magnetischen Material nutzen. Dieser Durchbruch, der in einer kürzlich erschienenen Nature-Publikation detailliert beschrieben wird, ebnet den Weg für neue elektronische Bauelemente, die den Elektronenfluss ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern steuern, welche typischerweise für eine solche Steuerung erforderlich sind.

Das Team, dessen Mitglieder in der bereitgestellten Zusammenfassung nicht genannt werden, fertigte Bauelemente aus Palladiumgallium-Einkristallen (PdGa) in einer Drei-Arm-Geometrie. Diese Bauelemente zeigten einen nichtlinearen Hall-Effekt, ein Phänomen, bei dem der elektrische Strom nicht proportional zur angelegten Spannung ist, aufgrund der quantengeometrieinduzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen. Dies führte zur räumlichen Trennung von transversalen chiralen Strömen mit entgegengesetzten anomalen Geschwindigkeiten in die äußeren Arme des Bauelements.

"Dies ermöglicht die Realraumtrennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten", schrieben die Studienautoren, "was wir durch die Beobachtung ihrer Quanteninterferenz in Abwesenheit jeglichen Magnetfelds demonstriert haben."

Topologische Semimetalle, die in dieser Forschung verwendeten Materialien, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Traditionell erforderte die Steuerung des chiralen fermionischen Transports in diesen Systemen starke Magnetfelder oder magnetische Dotierstoffe, um unerwünschten Transport zu unterdrücken und ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit unterschiedlichen Chern-Zahlen zu erzeugen, einer topologischen Eigenschaft, die mit der quantenmechanischen Phase des Elektrons zusammenhängt. Dieser neue Ansatz nutzt die Quantengeometrie der topologischen Bänder, um Fermionen nach Chiralität in unterschiedliche Chern-Zahl-polarisierte Zustände zu filtern, was eine effizientere und potenziell weniger energieintensive Methode darstellt.

Die Implikationen dieser Forschung erstrecken sich auf die Entwicklung fortschrittlicher elektronischer und spintronischer Bauelemente. Durch die Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität ohne Magnetfelder wird es möglich, neue Arten von Sensoren, Schaltern und anderen elektronischen Komponenten zu entwickeln. Darüber hinaus tragen die getrennten chiralen Ströme auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was Möglichkeiten zur Manipulation magnetischer Eigenschaften im Nanobereich eröffnet.

Die Forschenden schlagen vor, dass sich zukünftige Arbeiten auf die Optimierung des Bauelementdesigns und die Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen topologischen Eigenschaften konzentrieren werden, um die Leistung weiter zu steigern und die Anwendbarkeit dieses chiralen fermionischen Ventils zu erweitern. Das Fehlen von Magnetfeldern in dieser Technologie könnte zu kleineren, schnelleren und energieeffizienteren elektronischen Bauelementen führen.