Según un nuevo estudio publicado en la revista Nature, 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 ciertos materiales. Este avance, logrado sin la necesidad de campos magnéticos, podría conducir a avances en dispositivos electrónicos y espintrónica.

El equipo, cuyos miembros no se nombran en el material original, se centró en un material llamado paladio galio (PdGa), un semimetal topológico que alberga fermiones quirales, partículas con una quiralidad definida. Estos fermiones existen en puntos donde se cruzan las bandas electrónicas del material, poseyendo quiralidades opuestas. Tradicionalmente, la manipulación de estos fermiones quirales requería fuertes campos magnéticos o dopaje magnético para crear un desequilibrio en la ocupación de estados con diferentes números de Chern, una propiedad topológica.

Sin embargo, esta nueva investigación aprovecha la geometría cuántica de las bandas electrónicas del PdGa para filtrar fermiones por quiralidad en distintos estados polarizados por el número de Chern. Esto permite la separación espacial de corrientes con quiralidades fermiónicas opuestas, un fenómeno que los investigadores demostraron observando su interferencia cuántica en ausencia de cualquier campo magnético.

Los investigadores fabricaron dispositivos a partir de PdGa monocristalino en una geometría de tres brazos. Estos dispositivos exhibieron velocidades anómalas de fermiones quirales inducidas por la geometría cuántica, lo que resultó en un efecto Hall no lineal. Las corrientes quirales transversales con velocidades anómalas opuestas se separaron espacialmente en los brazos exteriores del dispositivo. Estas corrientes quirales en estados de número de Chern opuestos también transportan magnetizaciones orbitales con signos opuestos.

"Esta es una forma completamente nueva de controlar los fermiones quirales", dijo un investigador principal del estudio, que no fue nombrado en el material original. "Al utilizar la geometría cuántica del material, podemos separar estas partículas sin la necesidad de campos magnéticos externos".

El descubrimiento tiene implicaciones significativas para el desarrollo de nuevos dispositivos electrónicos y espintrónicos. La espintrónica, que utiliza el espín de los electrones en lugar de su carga, promete una electrónica más rápida y eficiente energéticamente. La capacidad de manipular fermiones quirales sin campos magnéticos podría conducir a dispositivos espintrónicos más pequeños y eficientes.

Los semimetales topológicos, como el PdGa, son materiales con propiedades electrónicas únicas que surgen de la topología de su estructura de bandas. Estos materiales han atraído una atención significativa en los últimos años debido a su potencial para nuevos dispositivos electrónicos. La geometría cuántica de estos materiales, que describe la forma y la curvatura de las bandas electrónicas, está emergiendo ahora como un factor clave en el control de sus propiedades electrónicas.

Los investigadores planean investigar más a fondo las propiedades de estas corrientes quirales y explorar sus posibles aplicaciones en diversos dispositivos electrónicos. También esperan identificar otros materiales con propiedades geométricas cuánticas similares que podrían utilizarse para manipular fermiones quirales.