Des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour séparer les électrons en fonction de leur chiralité, une propriété liée à leur spin, en utilisant la géométrie quantique unique des matériaux topologiques. Cette avancée, publiée dans la revue Nature, pourrait conduire à de nouveaux types de dispositifs électroniques qui manipulent le flux d'électrons sans avoir besoin de champs magnétiques.

L'équipe, dont les affiliations n'étaient pas immédiatement disponibles, s'est concentrée sur un matériau appelé gallium de palladium (PdGa), un semi-métal topologique. Ces matériaux possèdent des structures de bandes électroniques uniques avec des points où les électrons se comportent comme s'ils n'avaient pas de masse et présentent des chiralités distinctes. Traditionnellement, la séparation des électrons par chiralité nécessitait des champs magnétiques forts ou un dopage magnétique, ce qui peut être lourd et limiter les applications des dispositifs.

Au lieu de cela, les chercheurs ont exploité la géométrie quantique des bandes électroniques du PdGa. Cette géométrie quantique induit une "vitesse anormale" dans les fermions chiraux, les amenant à se déplacer dans des directions différentes en fonction de leur chiralité. En fabriquant du PdGa en un dispositif à trois bras, l'équipe a pu séparer spatialement les courants d'électrons de chiralités opposées dans les bras extérieurs.

"Il s'agit d'une manière fondamentalement nouvelle de contrôler le flux d'électrons", a déclaré un chercheur principal de l'étude. "En exploitant la géométrie quantique intrinsèque du matériau, nous pouvons réaliser une séparation basée sur la chiralité sans champs magnétiques externes."

La séparation des courants chiraux entraîne également la séparation des aimantations orbitales, qui sont liées au moment cinétique intrinsèque des électrons. Cela ouvre des possibilités de création de dispositifs qui manipulent à la fois les courants de charge et de spin.

Les semi-métaux topologiques ont suscité une attention considérable dans la physique de la matière condensée en raison de leurs propriétés électroniques inhabituelles. Les croisements de bandes dans ces matériaux sont protégés par la topologie, ce qui signifie qu'ils sont robustes contre les petites perturbations. Cela en fait des candidats prometteurs pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques.

L'équipe a démontré la séparation des courants chiraux en observant leur interférence quantique, un phénomène qui se produit lorsque les électrons se comportent comme des ondes et interfèrent les uns avec les autres. Les figures d'interférence ont confirmé que les électrons de chiralités opposées étaient effectivement séparés.

Les implications de cette recherche sont considérables. La capacité de contrôler le flux d'électrons en fonction de la chiralité sans champs magnétiques pourrait conduire à des dispositifs électroniques plus efficaces et plus compacts, notamment des capteurs, des dispositifs spintroniques et des composants d'informatique quantique.

Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer tout le potentiel de cette technologie et pour identifier d'autres matériaux avec une géométrie quantique appropriée pour la séparation chirale. L'équipe prévoit d'étudier les performances des dispositifs à base de PdGa dans différentes conditions et d'explorer de nouvelles architectures de dispositifs.