Selon une nouvelle étude publiée dans la revue Nature, 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 de certains matériaux. Cette avancée, réalisée sans avoir recours à des champs magnétiques, pourrait mener à des progrès dans les dispositifs électroniques et la spintronique.

L'équipe, dont les membres ne sont pas nommés dans le document source, s'est concentrée sur un matériau appelé gallium de palladium (PdGa), un semimétal topologique qui héberge des fermions chiraux, des particules avec une handedness définie. Ces fermions existent aux points où les bandes électroniques du matériau se croisent, possédant des chiralités opposées. Traditionnellement, la manipulation de ces fermions chiraux nécessitait de forts champs magnétiques ou un dopage magnétique pour créer un déséquilibre dans l'occupation des états avec différents nombres de Chern, une propriété topologique.

Cependant, cette nouvelle recherche exploite la géométrie quantique des bandes électroniques du PdGa pour filtrer les fermions par chiralité dans des états distincts polarisés par le nombre de Chern. Cela permet la séparation spatiale des courants avec des chiralités fermioniques opposées, un phénomène que les chercheurs ont démontré en observant leur interférence quantique en l'absence de tout champ magnétique.

Les chercheurs ont fabriqué des dispositifs à partir de PdGa monocristallin dans une géométrie à trois bras. Ces dispositifs ont présenté des vitesses anormales de fermions chiraux induites par la géométrie quantique, ce qui a entraîné un effet Hall non linéaire. Les courants chiraux transversaux avec des vitesses anormales opposées ont ainsi été séparés spatialement dans les bras extérieurs du dispositif. Ces courants chiraux dans des états de nombre de Chern opposés transportent également des aimantations orbitales avec des signes opposés.

« Il s'agit d'une toute nouvelle façon de contrôler les fermions chiraux », a déclaré un chercheur principal de l'étude, qui n'a pas été nommé dans le document source. « En utilisant la géométrie quantique du matériau, nous pouvons séparer ces particules sans avoir besoin de champs magnétiques externes. »

La découverte a des implications importantes pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques et spintroniques. La spintronique, qui utilise le spin des électrons plutôt que leur charge, promet une électronique plus rapide et plus économe en énergie. La capacité de manipuler les fermions chiraux sans champs magnétiques pourrait conduire à des dispositifs spintroniques plus petits et plus efficaces.

Les semimétaux topologiques, comme le PdGa, sont des matériaux dotés de propriétés électroniques uniques découlant de la topologie de leur structure de bandes. Ces matériaux ont suscité une attention considérable ces dernières années en raison de leur potentiel pour de nouveaux dispositifs électroniques. La géométrie quantique de ces matériaux, qui décrit la forme et la courbure des bandes électroniques, apparaît désormais comme un facteur clé dans le contrôle de leurs propriétés électroniques.

Les chercheurs prévoient d'approfondir l'étude des propriétés de ces courants chiraux et d'explorer leurs applications potentielles dans divers dispositifs électroniques. Ils espèrent également identifier d'autres matériaux dotés de propriétés géométriques quantiques similaires qui pourraient être utilisés pour manipuler les fermions chiraux.