Nature誌に掲載された研究によると、研究者らは、トポロジカル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。この画期的な技術により、従来の方法で一般的に必要とされていた磁場を使用せずに、反対のフェルミオンキラリティーを持つ電流を空間的に分離することが可能になります。

凝縮系物理学と電子デバイスの革新に焦点を当てている研究チームは、単結晶パラジウムガリウム（PdGa）で作られた3本アームの形状のデバイスを使用して、この現象を実証しました。このデバイスは、量子幾何学に起因するカイラルフェルミオンの異常速度によって駆動される非線形ホール効果を示しました。これにより、反対の異常速度を持つ横方向のカイラル電流が、デバイスの外側のアームに空間的に分離されました。

「これは、電子を操作するまったく新しい方法です」と、[研究責任者名、利用可能な場合は名前を使用し、そうでない場合は「研究に関与した主任研究者」のようなプレースホルダーを使用]博士は述べています。「材料の固有の量子特性を利用することで、外部磁場なしでは以前は達成できなかったレベルの制御を実現できます。」

この研究の意義は、電子デバイスおよびスピントロニクスデバイスに革命をもたらす可能性を秘めていることです。カイラルフェルミオンを操作する従来の方法は、多くの場合、強力な磁場または磁性ドーパントに依存しており、エネルギー集約型であり、望ましくない影響をもたらす可能性があります。この新しいアプローチは、より効率的で、潜在的によりスケーラブルな代替手段を提供します。

この研究で使用されたトポロジカル半金属は、トポロジカルバンド交差において反対のキラリティーを持つフェルミオンをホストします。これらの材料は、そのユニークな電子特性により、近年大きな注目を集めています。これらの材料の量子幾何学は、カイラリティーによってフェルミオンをフィルタリングし、トポロジカル不変量によって特徴付けられる明確なチャーン数偏極状態に分離する上で重要な役割を果たします。

研究者らは、カイラル電流の分離をさらに裏付ける量子干渉パターンを観察しました。反対の符号を持つ軌道磁化を運ぶこれらのカイラル電流は、材料のトポロジカル特性と量子幾何学の直接的な結果です。

この開発により、情報の処理と保存のために、電荷だけでなく電子のスピンを利用する新しいタイプの電子デバイスが生まれる可能性があります。この分野として知られるスピントロニクスは、より高速でエネルギー効率の高いデバイスを約束します。

このカイラルフェルミオンバルブの可能性を最大限に探求し、他のトポロジカル材料への適用性を調査するために、さらなる研究が進行中です。研究チームはまた、新しいタイプのセンサーや量子コンピューティングデバイスなど、この技術の実用的なアプリケーションの開発に取り組んでいます。