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, может привести к созданию новых типов электронных устройств, которые управляют потоком электронов без необходимости использования магнитных полей.

Команда, чьи аффилиации не были сразу доступны, сосредоточилась на материале под названием палладий-галлий (PdGa), топологическом полуметалле. Эти материалы обладают уникальными электронными зонными структурами с точками, где электроны ведут себя так, как будто у них нет массы, и демонстрируют отчетливые киральности. Традиционно разделение электронов по киральности требовало сильных магнитных полей или магнитного легирования, что может быть громоздким и ограничивать применение устройств.

Вместо этого исследователи использовали квантовую геометрию электронных зон PdGa. Эта квантовая геометрия индуцирует "аномальную скорость" в киральных фермионах, заставляя их двигаться в разных направлениях в зависимости от их киральности. Изготовив PdGa в виде трехплечевого устройства, команда смогла пространственно разделить токи электронов с противоположными киральностями во внешние плечи.

"Это принципиально новый способ управления потоком электронов", - сказал ведущий исследователь в исследовании. "Используя внутреннюю квантовую геометрию материала, мы можем добиться разделения на основе киральности без внешних магнитных полей".

Разделение киральных токов также приводит к разделению орбитальных намагниченностей, которые связаны с внутренним угловым моментом электронов. Это открывает возможности для создания устройств, которые управляют как зарядовыми, так и спиновыми токами.

Топологические полуметаллы привлекли значительное внимание в физике конденсированного состояния из-за их необычных электронных свойств. Пересечения зон в этих материалах защищены топологией, что означает, что они устойчивы к малым возмущениям. Это делает их перспективными кандидатами для разработки новых электронных устройств.

Команда продемонстрировала разделение киральных токов, наблюдая их квантовую интерференцию, явление, которое происходит, когда электроны ведут себя как волны и интерферируют друг с другом. Интерференционные картины подтвердили, что электроны с противоположными киральностями действительно разделяются.

Последствия этого исследования далеко идущие. Возможность управления потоком электронов на основе киральности без магнитных полей может привести к созданию более эффективных и компактных электронных устройств, включая датчики, спинтронные устройства и компоненты квантовых компьютеров.

Необходимы дальнейшие исследования, чтобы изучить весь потенциал этой технологии и выявить другие материалы с подходящей квантовой геометрией для кирального разделения. Команда планирует исследовать производительность устройств на основе PdGa в различных условиях и изучить новые архитектуры устройств.