Исследователи разработали новый метод разделения электронов на основе их киральности, свойства, связанного с их спином, используя квантовую геометрию топологических зон в немагнитном материале. Открытие, подробно описанное в недавней статье в журнале Nature, открывает путь к новым электронным устройствам, которые управляют потоком электронов без необходимости использования магнитных полей, что является распространенным требованием в спинтронике.

Команда, члены которой не названы в предоставленном исходном материале, достигла этого разделения в устройствах, изготовленных из монокристаллического палладия-галлия (PdGa), сконфигурированных в трехоружейной геометрии. Эта специфическая конфигурация позволила наблюдать аномальные скорости киральных фермионов, индуцированные квантовой геометрией, что привело к нелинейному эффекту Холла. Результирующие поперечные киральные токи, обладающие противоположными аномальными скоростями, были пространственно разделены во внешние плечи устройства.

Это разделение в реальном пространстве токов с противоположными фермионными киральностями было продемонстрировано путем наблюдения их квантовой интерференции, явления, которое подчеркивает волновую природу электронов, без влияния какого-либо внешнего магнитного поля. Это является значительным отходом от традиционных методов, которые полагаются на магнитные поля или магнитные примеси для контроля кирального переноса в топологических системах.

Топологические полуметаллы, класс материалов, используемых в этом исследовании, содержат фермионы с противоположными киральностями в точках пересечения топологических зон. Эти материалы привлекли значительное внимание в физике конденсированного состояния благодаря своим уникальным электронным свойствам. Возможность манипулировать этими свойствами посредством квантовой геометрии открывает новые возможности для разработки электронных и спинтронных устройств.

Значимость этого исследования заключается в потенциале создания более энергоэффективных и компактных электронных устройств. Современные спинтронные устройства часто требуют сильных магнитных полей, которые потребляют энергию и могут быть трудными для миниатюризации. Используя внутреннюю квантовую геометрию материалов, таких как PdGa, исследователи могут потенциально преодолеть эти ограничения.

Исследование также подчеркивает связь между киральностью, орбитальной намагниченностью и числом Черна. Киральные токи в противоположных состояниях числа Черна, которые являются топологическими инвариантами, характеризующими электронную зонную структуру, также несут орбитальные намагниченности с противоположными знаками. Это взаимодействие между различными квантовыми свойствами может привести к дальнейшим открытиям и приложениям в области топологических материалов.

Необходимы дальнейшие исследования для изучения всего потенциала этой технологии и для выявления других материалов, которые демонстрируют аналогичное разделение киральности, индуцированное квантовой геометрией. Результаты работы группы представляют собой значительный шаг вперед в разработке новых электронных устройств, основанных на принципах квантовой механики и материаловедения.