Investigadores han desarrollado un método novedoso para separar electrones basándose en su quiralidad, una propiedad relacionada con su espín, utilizando la geometría cuántica única de materiales topológicos. Este avance, publicado en la revista Nature, podría conducir a nuevos tipos de dispositivos electrónicos que manipulen el flujo de electrones sin la necesidad de campos magnéticos.

El equipo, cuyas afiliaciones no estaban disponibles de inmediato, se centró en un material llamado paladio galio (PdGa), un semimetal topológico. Estos materiales poseen estructuras de bandas electrónicas únicas con puntos donde los electrones se comportan como si no tuvieran masa y exhiben quiralidades distintas. Tradicionalmente, separar electrones por quiralidad requería fuertes campos magnéticos o dopaje magnético, lo que puede ser engorroso y limitar las aplicaciones del dispositivo.

En cambio, los investigadores aprovecharon la geometría cuántica de las bandas electrónicas del PdGa. Esta geometría cuántica induce una "velocidad anómala" en los fermiones quirales, lo que hace que se muevan en diferentes direcciones según su quiralidad. Al fabricar PdGa en un dispositivo de tres brazos, el equipo pudo separar espacialmente las corrientes de electrones con quiralidades opuestas en los brazos exteriores.

"Esta es una forma fundamentalmente nueva de controlar el flujo de electrones", dijo un investigador principal del estudio. "Al explotar la geometría cuántica intrínseca del material, podemos lograr la separación basada en la quiralidad sin campos magnéticos externos".

La separación de corrientes quirales también conduce a la separación de magnetizaciones orbitales, que están relacionadas con el momento angular intrínseco de los electrones. Esto abre posibilidades para crear dispositivos que manipulen tanto la carga como las corrientes de espín.

Los semimetales topológicos han atraído una atención significativa en la física de la materia condensada debido a sus inusuales propiedades electrónicas. Los cruces de bandas en estos materiales están protegidos por la topología, lo que significa que son robustos contra pequeñas perturbaciones. Esto los convierte en candidatos prometedores para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos.

El equipo demostró la separación de corrientes quirales al observar su interferencia cuántica, un fenómeno que ocurre cuando los electrones se comportan como ondas e interfieren entre sí. Los patrones de interferencia confirmaron que los electrones con quiralidades opuestas estaban siendo separados.

Las implicaciones de esta investigación son de gran alcance. La capacidad de controlar el flujo de electrones basándose en la quiralidad sin campos magnéticos podría conducir a dispositivos electrónicos más eficientes y compactos, incluidos sensores, dispositivos espintrónicos y componentes de computación cuántica.

Se necesita más investigación para explorar todo el potencial de esta tecnología y para identificar otros materiales con una geometría cuántica adecuada para la separación quiral. El equipo planea investigar el rendimiento de los dispositivos basados en PdGa en diferentes condiciones y explorar nuevas arquitecturas de dispositivos.