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

Команда, члены которой не были названы в исходном материале, достигла этого, изготовив устройства из монокристаллического PdGa в трехоплечевой геометрии. Этот конкретный материал и конструкция используют аномальные скорости киральных фермионов, индуцированные квантовой геометрией, что приводит к нелинейному эффекту Холла. Поперечные киральные токи, обладающие противоположными аномальными скоростями, затем пространственно разделяются во внешние плечи устройства.

«Это совершенно новый способ манипулирования электронами», — сказал исследователь, участвовавший в исследовании, согласно статье в Nature. «Используя присущие материалу свойства квантовой геометрии, мы можем фильтровать электроны по их киральности и направлять их в разные места».

Топологические полуметаллы, класс материалов, используемых в этом исследовании, содержат фермионы с противоположными киральностями в точках пересечения топологических зон. Традиционно манипулирование киральным фермионным транспортом требовало сильных магнитных полей или магнитных примесей для преодоления нежелательных транспортных эффектов и создания дисбаланса в заполнении состояний с противоположными числами Черна. Этот новый подход обходит эти требования, предлагая более эффективный и потенциально менее энергоемкий метод.

Разделение киральных токов также приводит к разделению орбитальных намагниченностей с противоположными знаками. Это открывает возможности для создания новых типов спинтронных устройств, которые используют спин электронов, а не их заряд, для хранения и обработки информации.

Последствия этого исследования далеко идущие, потенциально влияющие на разработку более эффективных и компактных электронных устройств. Возможность контролировать поток электронов на основе киральности без магнитных полей может привести к достижениям в таких областях, как квантовые вычисления, датчики и энергоэффективная электроника.

В настоящее время проводятся дальнейшие исследования для изучения всего потенциала этого кирального фермионного клапана, управляемого квантовой геометрией, и для изучения его применимости к другим топологическим материалам. Команда также работает над масштабированием процесса изготовления устройств, чтобы сделать его более коммерчески жизнеспособным.