Forschende haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, ohne dass Magnetfelder erforderlich sind. Dieser Durchbruch, der in einer aktuellen Nature-Veröffentlichung detailliert beschrieben wird, nutzt die Quantengeometrie topologischer Bänder in einem Material namens Palladiumgallid (PdGa), um Fermionen, eine Art von Teilchen, zu filtern, zu denen auch Elektronen gehören, und sie in unterschiedliche Zustände zu polarisieren, die durch ihre Chern-Zahl, eine topologische Größe, gekennzeichnet sind.

Das Forschungsteam, dessen Namen und Zugehörigkeiten in der Nature-Veröffentlichung enthalten waren, demonstrierte die räumliche Trennung von Strömen mit entgegengesetzten fermionischen Chiralitäten, indem es ihre Quanteninterferenz beobachtete. Dies wurde mit Bauelementen erreicht, die aus einkristallinem PdGa in einer Drei-Arm-Geometrie gefertigt wurden. Die einzigartige Geometrie des Materials induziert anomale Geschwindigkeiten in chiralen Fermionen, was zu einem nichtlinearen Hall-Effekt führt.

Laut der Studie werden die resultierenden transversalen chiralen Ströme, die entgegengesetzte anomale Geschwindigkeiten aufweisen, räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt. Diese chiralen Ströme, die in entgegengesetzten Chern-Zahl-Zuständen existieren, tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen. Die mesoskopische Phasenkohärenz dieser Ströme ermöglicht die Beobachtung von Quanteninterferenzeffekten, was die Trennung von chiralen Fermionen weiter bestätigt.

Traditionelle Methoden zur Manipulation des chiralen fermionischen Transports in topologischen Systemen beruhen oft auf starken Magnetfeldern oder magnetischen Dotierstoffen. Diese Methoden werden verwendet, um unerwünschten Transport zu unterdrücken und ein Ungleichgewicht in der Besetzung von Zuständen mit entgegengesetzten Chern-Zahlen zu erzeugen. Der neue Ansatz umgeht diese Anforderungen, indem er die inhärente Quantengeometrie des Materials ausnutzt.

Die Implikationen dieser Forschung sind bedeutend für die Entwicklung neuer elektronischer und spintronischer Bauelemente. Durch die Bereitstellung einer Methode zur Steuerung des Flusses chiraler Fermionen ohne Magnetfelder eröffnet diese Entdeckung Türen zu energieeffizienteren und kompakteren Bauelementen. Zukünftige Forschung wird sich wahrscheinlich auf die Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften und die Optimierung des Bauelementdesigns für spezifische Anwendungen konzentrieren.