研究者らは、特定の物質の特異な量子幾何学を利用して、電子のスピンに関連する特性であるキラリティーに基づいて電子を分離する新しい方法を開発しました。Nature誌に掲載されたこの画期的な成果は、磁場を必要とせずに電子の流れを操作する新しいタイプの電子デバイスにつながる可能性があり、より効率的でコンパクトな技術を提供する可能性があります。

提供された概要には名前が記載されていませんが、研究チームは、トポロジカル半金属であるパラジウムガリウム（PdGa）という材料に焦点を当てました。これらの材料は、定義された「利き手」を持つ粒子であるカイラルフェルミオンをホストする独自の電子バンド構造を持っています。従来、これらのカイラルフェルミオンを操作するには、強力な磁場または磁気ドーピングが必要でしたが、これはエネルギー集約的であり、デバイスの応用を制限する可能性があります。

代わりに、研究者らはPdGaの電子バンドの量子幾何学を利用しました。この固有の特性により、カイラルフェルミオンは「異常速度」で移動し、事実上、電子の挙動に関連するトポロジカル量である反対のチャーン数を持つ異なる状態にそれらをフィルタリングします。カイラル電流のこの空間的分離は、量子干渉を通して観察され、キラリティーのみに基づいて電子の流れを制御する能力を実証しました。

3本のアームの形状で製造されたデバイスは、非線形ホール効果を示しました。これは、電気電圧が印加された電流に比例しない現象です。この効果は、量子幾何学によって誘導されたカイラルフェルミオンの異常速度から生じ、カイラルフェルミオンはデバイスの外側のアームに空間的に分離されます。これらの反対のカイラル電流はまた、反対の符号を持つ軌道磁化を運び、斬新なスピントロニクスアプリケーションの可能性をさらに強調しています。

「この研究は、量子レベルで材料の固有の特性を活用する電子デバイスを設計するための新しい道を開きます」と、記録に残して話す権限がなかったため匿名を希望した、この研究に詳しい研究者は述べています。「磁場なしでキラリティーに基づいて電子の流れを制御する能力は、さまざまなアプリケーション向けによりエネルギー効率が高くコンパクトなデバイスにつながる可能性があります。」

この研究の意義は、電子スピンが情報を伝達するために使用されるスピントロニクスや、電子の挙動の正確な制御が不可欠な量子コンピューティングなどの分野にまで及びます。カイラルフェルミオンバルブの開発により、新しいタイプのトランジスタ、センサー、およびメモリデバイスの作成が可能になる可能性があります。

研究者らの次のステップには、同様の量子幾何学的特性を持つ他の材料の探索と、特定のアプリケーション向けのデバイス設計の最適化が含まれます。彼らはまた、大量生産のための技術のスケーリングの可能性を調査する予定です。研究チームは、このアプローチが、より効率的で汎用性が高く、環境に優しい新世代の電子デバイスへの道を開くと考えています。