연구진은 위상 물질의 고유한 양자 기하학을 이용하여 전자의 스핀과 관련된 특성인 카이랄성에 따라 전자를 분리하는 새로운 방법을 개발했습니다. 학술지 네이처(Nature)에 발표된 이번 획기적인 발견은 자기장 없이 전자 흐름을 조작하는 새로운 유형의 전자 장치로 이어질 수 있습니다.

소속이 즉시 확인되지 않은 연구팀은 위상 반금속인 팔라듐 갈륨(PdGa)이라는 물질에 집중했습니다. 이러한 물질은 전자가 질량이 없는 것처럼 행동하고 뚜렷한 카이랄성을 나타내는 지점을 가진 고유한 전자 밴드 구조를 가지고 있습니다. 전통적으로 카이랄성에 따라 전자를 분리하려면 강력한 자기장 또는 자기 도핑이 필요했는데, 이는 번거롭고 장치 응용 분야를 제한할 수 있습니다.

대신 연구진은 PdGa 전자 밴드의 양자 기하학을 활용했습니다. 이 양자 기하학은 카이랄 페르미온에 "비정상 속도"를 유도하여 카이랄성에 따라 다른 방향으로 이동하게 합니다. 연구팀은 PdGa를 세 갈래 장치로 제작하여 반대 카이랄성을 가진 전자의 전류를 외부 팔로 공간적으로 분리할 수 있었습니다.

연구의 주요 연구원은 "이것은 전자 흐름을 제어하는 근본적으로 새로운 방법입니다."라고 말했습니다. "물질의 고유한 양자 기하학을 활용하여 외부 자기장 없이 카이랄성 기반 분리를 달성할 수 있습니다."

카이랄 전류의 분리는 전자의 고유 각운동량과 관련된 궤도 자화의 분리도 유도합니다. 이는 전하 및 스핀 전류를 모두 조작하는 장치를 만들 수 있는 가능성을 열어줍니다.

위상 반금속은 특이한 전자적 특성으로 인해 응축 물질 물리학에서 상당한 주목을 받았습니다. 이러한 물질의 밴드 교차는 위상에 의해 보호되므로 작은 섭동에 대해 강건합니다. 따라서 새로운 전자 장치 개발에 유망한 후보입니다.

연구팀은 전자가 파동처럼 행동하고 서로 간섭할 때 발생하는 현상인 양자 간섭을 관찰하여 카이랄 전류의 분리를 입증했습니다. 간섭 패턴은 반대 카이랄성을 가진 전자가 실제로 분리되고 있음을 확인했습니다.

이 연구의 의미는 광범위합니다. 자기장 없이 카이랄성에 따라 전자 흐름을 제어하는 능력은 센서, 스핀트로닉스 장치 및 양자 컴퓨팅 구성 요소를 포함하여 보다 효율적이고 컴팩트한 전자 장치로 이어질 수 있습니다.

이 기술의 잠재력을 최대한 활용하고 카이랄 분리에 적합한 양자 기하학을 가진 다른 물질을 식별하려면 추가 연구가 필요합니다. 연구팀은 다양한 조건에서 PdGa 기반 장치의 성능을 조사하고 새로운 장치 아키텍처를 탐색할 계획입니다.