Исследователи разработали новый метод разделения электронов на основе их киральности, свойства, связанного с их спином, используя уникальную квантовую геометрию определенных материалов. Этот прорыв, опубликованный в журнале Nature, может привести к созданию новых типов электронных устройств, которые управляют потоком электронов без необходимости использования магнитных полей, что потенциально предлагает более эффективные и компактные технологии.

Команда, члены которой не названы в представленном резюме, сосредоточилась на материале под названием палладий-галлий (PdGa), топологическом полуметалле. Эти материалы обладают уникальными электронными зонными структурами, в которых находятся киральные фермионы, частицы с определенной "хиральностью". Традиционно для манипулирования этими киральными фермионами требовались сильные магнитные поля или магнитное легирование, что может быть энергоемким и ограничивать применение устройств.

Вместо этого исследователи использовали квантовую геометрию электронных зон PdGa. Это неотъемлемое свойство заставляет киральные фермионы двигаться с "аномальной скоростью", эффективно фильтруя их в отдельные состояния с противоположными числами Черна, топологической величиной, связанной с поведением электрона. Это пространственное разделение киральных токов наблюдалось посредством квантовой интерференции, демонстрируя способность контролировать поток электронов только на основе киральности.

Устройство, изготовленное в трехплечевой геометрии, продемонстрировало нелинейный эффект Холла, явление, при котором электрическое напряжение не пропорционально приложенному току. Этот эффект возникает из-за индуцированных квантовой геометрией аномальных скоростей киральных фермионов, которые пространственно разделены во внешних плечах устройства. Эти противоположные киральные токи также несут орбитальные намагниченности с противоположными знаками, что еще больше подчеркивает потенциал для новых спинтронных приложений.

"Это исследование открывает новые возможности для разработки электронных устройств, которые используют внутренние свойства материалов на квантовом уровне", - сказал исследователь, знакомый с исследованием, который попросил об анонимности, поскольку не был уполномочен говорить для протокола. "Способность контролировать поток электронов на основе киральности без магнитных полей может привести к созданию более энергоэффективных и компактных устройств для различных применений".

Последствия этого исследования распространяются на такие области, как спинтроника, где спин электрона используется для передачи информации, и квантовые вычисления, где решающее значение имеет точный контроль поведения электронов. Разработка киральных фермионных клапанов может позволить создать новые типы транзисторов, датчиков и устройств памяти.

Следующие шаги для исследователей включают изучение других материалов с аналогичными квантовыми геометрическими свойствами и оптимизацию конструкции устройства для конкретных применений. Они также планируют изучить возможность масштабирования технологии для массового производства. Команда считает, что этот подход может проложить путь к новому поколению электронных устройств, которые будут более эффективными, универсальными и экологически чистыми.