Исследователи разработали новый метод разделения электронов на основе их киральности, свойства, связанного с их спином, используя уникальную квантовую геометрию топологических материалов. Этот прорыв, подробно описанный в недавней публикации в журнале Nature, позволяет пространственно разделять токи с противоположной киральностью без необходимости использования магнитных полей, что потенциально может революционизировать разработку электронных устройств.

Команда, члены которой связаны с несколькими учреждениями, продемонстрировала это явление, используя устройства, изготовленные из монокристаллического палладия-галлия (PdGa) в трехаплечной геометрии. Они наблюдали, что квантовая геометрия электронных зон материала индуцирует аномальные скорости в киральных фермионах, что приводит к нелинейному эффекту Холла. Этот эффект пространственно разделяет поперечные киральные токи с противоположными аномальными скоростями во внешние плечи устройства.

"Это совершенно новый способ манипулирования электронами", - сказал [Lead Researcher Name], [Researcher Title] в [Institution Name]. "Используя внутреннюю квантовую геометрию материала, мы можем фильтровать электроны по их киральности, открывая возможности для новых типов электронных устройств".

Топологические полуметаллы, класс материалов, используемых в исследовании, содержат фермионы с противоположной киральностью в точках пересечения топологических зон. Традиционно манипулирование киральным фермионным транспортом требовало сильных магнитных полей или магнитного легирования для подавления нежелательного транспорта и создания дисбаланса в заполнении состояний с противоположными числами Черна. Новый метод обходит это требование, используя квантовую геометрию топологических зон для фильтрации фермионов по киральности в отдельные состояния, поляризованные по числу Черна.

Значимость этого исследования заключается в его потенциале для создания более эффективных и компактных электронных устройств. Пространственное разделение киральных токов может привести к разработке новых типов датчиков, спинтронных устройств и компонентов квантовых компьютеров. Кроме того, отсутствие необходимости в магнитных полях упрощает изготовление устройств и снижает энергопотребление.

Результаты команды основаны на предыдущих исследованиях аномальных скоростей в топологических материалах. Эти скорости, индуцированные квантовой геометрией электронных зон, заставляют электроны двигаться в неожиданных направлениях при воздействии электрического поля. Тщательно проектируя геометрию устройства и состав материала, исследователи смогли использовать эти аномальные скорости для разделения киральных токов.

Мезоскопическая фазовая когерентность этих киральных токов в противоположных состояниях с числом Черна также несет орбитальную намагниченность с противоположными знаками. Это добавляет еще один уровень сложности и потенциальной функциональности системе.

Будущие исследования будут сосредоточены на изучении других материалов с аналогичными квантовыми геометрическими свойствами и оптимизации конструкции устройств для конкретных применений. Команда также планирует изучить возможность использования этой технологии для создания новых типов квантовых датчиков и вычислительных устройств.