研究者たちは、学術誌Natureに掲載された新しい研究によると、特定の物質の独特な量子幾何学を利用して、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。この画期的な成果は、磁場を必要とせずに達成され、電子デバイスおよびスピントロニクスの進歩につながる可能性があります。

ソース資料で名前が挙げられていないチームは、パラジウムガリウム（PdGa）と呼ばれる物質に焦点を当てました。これは、カイラルフェルミオン、つまり定義された掌性を持つ粒子をホストするトポロジカル半金属です。これらのフェルミオンは、物質の電子バンドが交差する点に存在し、反対のキラリティーを持っています。従来、これらのカイラルフェルミオンを操作するには、強い磁場または磁気ドーピングを使用して、異なるチャーン数（トポロジカルな特性）を持つ状態の占有率に不均衡を生じさせる必要がありました。

しかし、この新しい研究では、PdGaの電子バンドの量子幾何学を利用して、フェルミオンをキラリティーごとに異なるチャーン数偏極状態にフィルタリングします。これにより、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できます。研究者たちは、磁場がない状態で量子干渉を観察することにより、この現象を実証しました。

研究者たちは、単結晶PdGaから3本のアームを持つ形状のデバイスを作製しました。これらのデバイスは、カイラルフェルミオンの量子幾何学によって誘導される異常速度を示し、非線形ホール効果をもたらしました。反対の異常速度を持つ横方向のカイラル電流は、それによってデバイスの外側のアームに空間的に分離されました。反対のチャーン数状態にあるこれらのカイラル電流は、反対の符号を持つ軌道磁化も運びます。

「これは、カイラルフェルミオンを制御するためのまったく新しい方法です」と、ソース資料で名前が挙げられていない研究の主任研究者は述べています。「物質の量子幾何学を使用することで、外部磁場を必要とせずにこれらの粒子を分離できます。」

この発見は、新しい電子デバイスおよびスピントロニクスデバイスの開発に大きな影響を与えます。電子の電荷ではなくスピンを利用す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エレクトロニクスを約束します。磁場なしでカイラルフェルミオンを操作できる能力は、より小型で効率的なスピントロニクスデバイスにつながる可能性があります。

PdGaのようなトポロジカル半金属は、バンド構造トポロジーに起因する独自の電子特性を持つ材料です。これらの材料は、斬新な電子デバイスの可能性により、近年大きな注目を集めています。電子バンドの形状と曲率を記述するこれらの材料の量子幾何学は、それらの電子特性を制御する上で重要な要素として浮上しています。

研究者たちは、これらのカイラル電流の特性をさらに調査し、さまざまな電子デバイスでの潜在的な応用を探求することを計画しています。また、カイラルフェルミオンの操作に使用できる同様の量子幾何学的特性を持つ他の材料を特定することも期待しています。