Pesquisadores desenvolveram um novo método para separar elétrons com base em sua quiralidade, uma propriedade relacionada ao seu spin, usando a geometria quântica única de materiais topológicos. Este avanço, publicado na revista Nature, pode levar a novos tipos de dispositivos eletrônicos que manipulam o fluxo de elétrons sem a necessidade de campos magnéticos.

A equipe, cujas afiliações não estavam imediatamente disponíveis, concentrou-se em um material chamado paládio gálio (PdGa), um semimetal topológico. Esses materiais possuem estruturas de banda eletrônica únicas com pontos onde os elétrons se comportam como se não tivessem massa e exibem quiralidades distintas. Tradicionalmente, a separação de elétrons por quiralidade exigia fortes campos magnéticos ou dopagem magnética, o que pode ser complicado e limitar as aplicações do dispositivo.

Em vez disso, os pesquisadores aproveitaram a geometria quântica das bandas eletrônicas do PdGa. Essa geometria quântica induz uma "velocidade anômala" nos férmions quirais, fazendo com que eles se movam em direções diferentes com base em sua quiralidade. Ao fabricar PdGa em um dispositivo de três braços, a equipe conseguiu separar espacialmente correntes de elétrons com quiralidades opostas nos braços externos.

"Esta é uma maneira fundamentalmente nova de controlar o fluxo de elétrons", disse um pesquisador líder no estudo. "Ao explorar a geometria quântica intrínseca do material, podemos obter separação baseada em quiralidade sem campos magnéticos externos."

A separação de correntes quirais também leva à separação de magnetizações orbitais, que estão relacionadas ao momento angular intrínseco dos elétrons. Isso abre possibilidades para a criação de dispositivos que manipulam correntes de carga e spin.

Os semimetais topológicos têm atraído atenção significativa na física da matéria condensada devido às suas propriedades eletrônicas incomuns. Os cruzamentos de banda nesses materiais são protegidos pela topologia, o que significa que são robustos contra pequenas perturbações. Isso os torna candidatos promissores para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos.

A equipe demonstrou a separação de correntes quirais observando sua interferência quântica, um fenômeno que ocorre quando os elétrons se comportam como ondas e interferem uns com os outros. Os padrões de interferência confirmaram que os elétrons com quiralidades opostas estavam realmente sendo separados.

As implicações desta pesquisa são de longo alcance. A capacidade de controlar o fluxo de elétrons com base na quiralidade sem campos magnéticos pode levar a dispositivos eletrônicos mais eficientes e compactos, incluindo sensores, dispositivos espintrônicos e componentes de computação quântica.

Mais pesquisas são necessárias para explorar todo o potencial desta tecnologia e para identificar outros materiais com geometria quântica adequada para separação quiral. A equipe planeja investigar o desempenho de dispositivos baseados em PdGa sob diferentes condições e explorar novas arquiteturas de dispositivos.