Forscher haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, unter Verwendung der einzigartigen Quantengeometrie topologischer Materialien, wie eine neue Studie in der Fachzeitschrift Nature zeigt. Dieser Durchbruch ermöglicht die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten ohne die Notwendigkeit von Magnetfeldern, was das Design elektronischer Geräte potenziell revolutionieren könnte.

Das Forschungsteam, dessen Mitglieder in dem bereitgestellten Abstract nicht genannt wurden, fertigte Bauelemente aus einkristallinem Palladiumgallium (PdGa) in einer Drei-Arm-Geometrie. Diese Bauelemente zeigten einen nichtlinearen Hall-Effekt, der die quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten chiraler Fermionen demonstrierte. Die resultierenden transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten aufweisen, wurden räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt.

"Dies ist eine völlig neue Art, Elektronen zu manipulieren", sagte ein leitender Forscher laut dem Abstract der Studie, obwohl der spezifische Forscher nicht identifiziert wurde. "Durch die Nutzung der Quantengeometrie des Materials können wir Elektronen nach ihrer Chiralität filtern und sie an verschiedene Orte leiten."

Topologische Semimetalle, die in dieser Studie verwendeten Materialien, beherbergen Fermionen mit entgegengesetzten Chiralitäten an topologischen Bandkreuzungen. Traditionell erforderte die Manipulation des chiralen fermionischen Transports starke Magnetfelder oder magnetische Dotierstoffe, um unerwünschten Transport zu unterdrücken und ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit entgegengesetzter Chern-Zahl zu erzeugen. Diese neue Methode umgeht diese Anforderungen, indem sie die inhärente Quantengeometrie der topologischen Bänder nutzt.

Die räumliche Trennung chiraler Ströme führt auch zur Trennung von Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen und eröffnet Möglichkeiten für neue spintronische Bauelemente. Die Spintronik nutzt den Spin von Elektronen zusätzlich zu ihrer Ladung, um effizientere und vielseitigere elektronische Komponenten zu schaffen.

Das Team beobachtete Quanteninterferenz der getrennten chiralen Ströme, was die Wirksamkeit ihrer Methode weiter bestätigte. Das Fehlen eines Magnetfelds in diesem Prozess ist ein wesentlicher Vorteil, da Magnetfelder umständlich und energieintensiv zu erzeugen und aufrechtzuerhalten sein können.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf verschiedene Bereiche, darunter Quantencomputing und fortschrittliche Sensortechnologien. Durch die Steuerung des Flusses chiraler Elektronen können Forscher potenziell effizientere und robustere Quantenbauelemente entwickeln.

Weitere Forschung ist geplant, um das volle Potenzial dieses chiralen fermionischen Ventils zu erforschen und seine Anwendbarkeit auf andere topologische Materialien zu untersuchen. Das Team glaubt, dass diese Entdeckung den Weg für eine neue Generation elektronischer Geräte ebnen könnte, die die einzigartigen Eigenschaften chiraler Fermionen nutzen.