研究者たちは、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。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ます。

所属機関がすぐには特定できなかった研究チームは、トポロジカル半金属であるパラジウムガリウム（PdGa）という物質に焦点を当てました。これらの物質は、電子が質量を持たないかのように振る舞い、明確なキラリティーを示す点を持つ、独自の電子バンド構造を持っています。従来、電子をキラリティーで分離するには、強力な磁場または磁気ドーピングが必要でしたが、これは扱いにくく、デバイスの応用を制限する可能性がありました。

代わりに、研究者たちはPdGaの電子バンドの量子幾何学を利用しました。この量子幾何学は、カイラルフェルミオンに「異常速度」を誘起し、それらのキラリティーに基づいて異なる方向に移動させます。PdGaを3本のアームを持つデバイスに加工することで、チームは反対のキラリティーを持つ電子の電流を空間的に外側のアームに分離することができました。

「これは、電子の流れを制御するための根本的に新しい方法です」と、この研究の主任研究者は述べています。「材料の固有の量子幾何学を利用することで、外部磁場なしでキラリティーに基づく分離を達成できます。」

カイラル電流の分離は、電子の固有の角運動量に関連する軌道磁化の分離にもつながります。これにより、電荷とスピンの両方の電流を操作するデバイスを作成できる可能性が開かれます。

トポロジカル半金属は、その異常な電子特性により、凝縮系物理学において大きな注目を集めています。これらの材料のバンド交差はトポロジーによって保護されており、小さな摂動に対してロバストであることを意味します。これにより、新しい電子デバイスを開発するための有望な候補となります。

チームは、電子が波のように振る舞い、互いに干渉するときに発生する現象である量子干渉を観察することにより、カイラル電流の分離を実証しました。干渉パターンは、反対のキラリティーを持つ電子が実際に分離されていることを確認しました。

この研究の意義は広範囲に及びます。磁場なしでキラリティーに基づいて電子の流れを制御できる能力は、センサー、スピントロニクスデバイス、量子コンピューティングコンポーネントなど、より効率的でコンパクトな電子デバイスにつながる可能性があります。

この技術の可能性を最大限に引き出し、カイラル分離に適した量子幾何学を持つ他の材料を特定するには、さらなる研究が必要です。チームは、さまざまな条件下でのPdGaベースのデバイスの性能を調査し、新しいデバイスアーキテクチャを模索する予定です。