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、最近のNature誌に詳細が掲載されており、通常そのような制御に必要な磁場を必要とせずに電子の流れを操作する新しい電子デバイスへの道を開きます。

提供された要約には名前が記載されていませんが、チームは、単結晶パラジウムガリウム（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、量子幾何学によって誘起されたカイラルフェルミオンの異常速度により、電気的電流が印加された電圧に比例しない現象であ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。

研究著者らは、「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実空間で分離することが可能になります。これは、磁場がない状態でそれらの量子干渉を観察することで実証しました」と述べています。

この研究で使用された材料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。従来、これらのシステムでカイラルフェルミオン輸送を制御するには、不要な輸送を抑制し、異なるチャーン数（電子の量子力学的位相に関連するトポロジカル特性）を持つ状態の占有率の不均衡を作り出すために、強い磁場または磁性ドーパントが必要でした。この新しいアプローチは、トポロジカル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によって異なるチャーン数偏極状態にフィルタリングし、より効率的で、潜在的によりエネルギー集約的でない方法を提供します。

この研究の意義は、高度な電子およびスピントロニクスデバイスの開発にまで及びます。磁場なしでキラリティーに基づいて電子を分離することにより、新しいタイプのセンサー、スイッチ、およびその他の電子部品を作成することが可能になります。さらに、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ぶため、ナノスケールで磁気特性を操作する可能性が開かれます。

研究者たちは、今後の研究では、デバイス設計の最適化と、同様のトポロジカル特性を持つ他の材料の探索に焦点を当て、このカイラルフェルミオンバルブの性能をさらに向上させ、適用範囲を広げることを示唆しています。この技術における磁場の不在は、より小型で、より高速で、よりエネルギー効率の高い電子デバイスにつながる可能性があります。