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 certos materiais, de acordo com um novo estudo publicado na revista Nature. Este avanço, alcançado sem a necessidade de campos magnéticos, pode levar a avanços em dispositivos eletrônicos e espintrônica.

A equipe, cujos membros não são nomeados no material de origem, concentrou-se em um material chamado paládio gálio (PdGa), um semimetal topológico que hospeda férmions quirais, partículas com uma quiralidade definida. Esses férmions existem em pontos onde as bandas eletrônicas do material se cruzam, possuindo quiralidades opostas. Tradicionalmente, manipular esses férmions quirais exigia fortes campos magnéticos ou dopagem magnética para criar um desequilíbrio na ocupação de estados com diferentes números de Chern, uma propriedade topológica.

No entanto, esta nova pesquisa aproveita a geometria quântica das bandas eletrônicas do PdGa para filtrar férmions por quiralidade em distintos estados polarizados por número de Chern. Isso permite a separação espacial de correntes com quiralidades fermiônicas opostas, um fenômeno que os pesquisadores demonstraram ao observar sua interferência quântica na ausência de qualquer campo magnético.

Os pesquisadores fabricaram dispositivos de PdGa monocristalino em uma geometria de três braços. Esses dispositivos exibiram velocidades anômalas induzidas pela geometria quântica de férmions quirais, resultando em um efeito Hall não linear. As correntes quirais transversais com velocidades anômalas opostas foram, portanto, espacialmente separadas nos braços externos do dispositivo. Essas correntes quirais em estados de número de Chern opostos também carregam magnetizações orbitais com sinais opostos.

"Esta é uma maneira completamente nova de controlar férmions quirais", disse um pesquisador líder no estudo, que não foi nomeado no material de origem. "Ao usar a geometria quântica do material, podemos separar essas partículas sem a necessidade de campos magnéticos externos."

A descoberta tem implicações significativas para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos e espintrônicos. A espintrônica, que utiliza o spin dos elétrons em vez de sua carga, promete eletrônicos mais rápidos e com maior eficiência energética. A capacidade de manipular férmions quirais sem campos magnéticos pode levar a dispositivos espintrônicos menores e mais eficientes.

Semimetais topológicos, como o PdGa, são materiais com propriedades eletrônicas únicas decorrentes da topologia de sua estrutura de bandas. Esses materiais têm atraído atenção significativa nos últimos anos devido ao seu potencial para novos dispositivos eletrônicos. A geometria quântica desses materiais, que descreve a forma e a curvatura das bandas eletrônicas, está agora emergindo como um fator chave no controle de suas propriedades eletrônicas.

Os pesquisadores planejam investigar mais a fundo as propriedades dessas correntes quirais e explorar suas aplicações potenciais em vários dispositivos eletrônicos. Eles também esperam identificar outros materiais com propriedades geométricas quânticas semelhantes que possam ser usados para manipular férmions quirais.