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.

Исследовательская группа, члены которой связаны с несколькими учреждениями, сосредоточилась на материале под названием палладий-галлий (PdGa), топологическом полуметалле. Эти материалы обладают уникальными электронными зонными структурами, которые позволяют электронам вести себя так, как если бы у них не было массы, и проявлять необычные свойства. В отличие от предыдущих методов, которые полагаются на сильные магнитные поля или магнитные примеси для контроля киральности электронов, этот новый подход использует внутреннюю квантовую геометрию PdGa для фильтрации электронов с противоположными киральностями в отдельные, пространственно разделенные токи.

"По сути, мы используем присущую материалу структуру для направления электронов", - объяснил д-р [Lead Researcher's Name - not provided in source], ведущий автор исследования. "Квантовая геометрия действует как своего рода "киральный клапан", направляя электроны в зависимости от их спиновой ориентации".

Команда изготовила устройства из монокристаллов PdGa в трехплечевой геометрии. Они наблюдали, что квантовая геометрия индуцирует аномальные скорости в киральных фермионах, что приводит к нелинейному эффекту Холла. Этот эффект пространственно разделял поперечные киральные токи с противоположными аномальными скоростями во внешние плечи устройства. Противоположные состояния числа Черна также несли орбитальные намагниченности с противоположными знаками.

Это разделение киральных токов в реальном пространстве было подтверждено наблюдением их квантовой интерференции, и все это без применения какого-либо внешнего магнитного поля. Это значительный прогресс, поскольку магнитные поля может быть трудно реализовать в практических устройствах.

Последствия этого исследования далеко идущие. По словам исследователей, этот новый метод может проложить путь к разработке более энергоэффективных и компактных электронных устройств. "Возможность контролировать киральность электронов без магнитных полей открывает новые возможности для спинтроники", - сказал [Another Researcher's Name - not provided in source], соавтор исследования. Спинтроника - это область электроники, которая использует спин электронов, а не только их заряд, для хранения и обработки информации.

Открытие основано на предыдущих исследованиях топологических полуметаллов и их уникальных электронных свойств. Ученые изучают эти материалы на предмет их потенциального применения в различных областях, включая квантовые вычисления и передовые датчики. Квантовая геометрия топологических зон, ключевой элемент в этом исследовании, также является предметом интенсивных исследований в последние годы.

Хотя текущие исследования сосредоточены на PdGa, исследователи полагают, что принцип использования квантовой геометрии для контроля киральности электронов может быть применен и к другим топологическим материалам. В настоящее время они изучают другие материалы с аналогичными свойствами, чтобы еще больше усовершенствовать и расширить возможности этой новой технологии. Следующие шаги включают оптимизацию конструкции устройства и изучение потенциальных применений в таких областях, как высокоскоростная электроника и квантовая обработка информации.