研究者たちは、非磁性材料におけるトポロジカルバンドの量子幾何学を利用して、電子のスピンの方向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。最近のNature誌に詳細が掲載されたこの画期的な技術により、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し、その後の量子干渉を、通常そのような操作に必要な磁場や磁性ドーパントを必要とせずに行うことができます。

複数の機関に所属する研究チームは、単結晶PdGaから作製された、3本のアームを持つ形状のデバイスを用いてこの現象を実証しました。このユニークな設計は、カイラルフェルミオンの量子幾何学に起因する異常速度を利用し、非線形ホール効果をもたらします。この効果により、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す。

「これは電子の流れを制御する全く新しい方法です」と、[University/Institution]の[Researcher Title]である[Lead Researcher Name]氏は述べています。「材料の固有の量子特性を利用することで、これまで強力な磁場でのみ可能だった方法で電子を操作できます。」

この発見の重要性は、電子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にあります。カイラルフェルミオンを操作する現在の方法は、多くの場合、エネルギー集約的であり、デバイスの小型化を制限する可能性のある高磁場に依存しています。この新しい方法は、より効率的で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材料のクラスである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。チームの革新性は、これらの材料の量子幾何学を利用して、フェルミオンをキラリティーによって異なるチャーン数偏極状態にフィルタリングする能力にあります。チャーン数は、電子バンド構造を特徴付けるトポロジカル不変量です。

空間的に分離されたカイラル電流は、反対の符号を持つ軌道磁化も運び、制御と潜在的なアプリケーションの別の層を追加します。チームは、これらのカイラル電流の中間的な位相コヒーレンスを観察し、彼らの方法の有効性をさらに確認しました。

「磁場なしでカイラル電流を分離および制御できることは、新しいタイプの電子デバイスのエキサイティングな可能性を開きます」と、[University/Institution]の[Co-author Title]である[Co-author Name]氏は説明しました。「量子コンピューティング、スピントロニクス、センサーなどの分野での応用を想定しています。」

研究者たちは現在、デバイス設計の最適化と、同様の量子幾何学的特性を持つ他の材料の探索に取り組んでいます。彼らは、このアプローチを他のトポロジカル材料に拡張できると信じており、量子幾何学に基づく新世代の電子デバイスへの道を開きます。次のステップには、性能を向上させ、潜在的なアプリケーションを探索するための材料特性とデバイスの最適化に関するさらなる調査が含まれます。