Согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Nature, исследователи разработали новый метод разделения электронов на основе их киральности, свойства, связанного с их спином, используя уникальную квантовую геометрию определенных материалов. Этот прорыв, достигнутый без использования магнитных полей, может привести к прогрессу в электронных устройствах и спинтронике.

Команда, чьи имена не указаны в исходном материале, сосредоточилась на материале под названием палладий-галлий (PdGa), топологическом полуметалле, в котором находятся киральные фермионы, частицы с определенной хиральностью. Эти фермионы существуют в точках, где электронные зоны материала пересекаются, обладая противоположными хиральностями. Традиционно манипулирование этими киральными фермионами требовало сильных магнитных полей или магнитного легирования для создания дисбаланса в заполнении состояний с разными числами Черна, топологическим свойством.

Однако это новое исследование использует квантовую геометрию электронных зон PdGa для фильтрации фермионов по хиральности в отдельные состояния, поляризованные по числу Черна. Это позволяет пространственно разделять токи с противоположными фермионными хиральностями, явление, которое исследователи продемонстрировали, наблюдая их квантовую интерференцию в отсутствие какого-либо магнитного поля.

Исследователи изготовили устройства из монокристаллического PdGa в трехплечевой геометрии. Эти устройства демонстрировали индуцированные квантовой геометрией аномальные скорости киральных фермионов, что приводило к нелинейному эффекту Холла. Поперечные киральные токи с противоположными аномальными скоростями, таким образом, были пространственно разделены во внешние плечи устройства. Эти киральные токи в противоположных состояниях с числом Черна также несут орбитальные намагниченности с противоположными знаками.

"Это совершенно новый способ управления киральными фермионами", - сказал ведущий исследователь в исследовании, имя которого не было указано в исходном материале. "Используя квантовую геометрию материала, мы можем разделять эти частицы без необходимости во внешних магнитных полях".

Это открытие имеет значительные последствия для разработки новых электронных и спинтронных устройств. Спинтроника, которая использует спин электронов, а не их заряд, обещает более быструю и энергоэффективную электронику. Возможность манипулировать киральными фермионами без магнитных полей может привести к созданию меньших по размеру и более эффективных спинтронных устройств.

Топологические полуметаллы, такие как PdGa, представляют собой материалы с уникальными электронными свойствами, возникающими из топологии их зонной структуры. Эти материалы привлекли значительное внимание в последние годы из-за их потенциала для новых электронных устройств. Квантовая геометрия этих материалов, которая описывает форму и кривизну электронных зон, в настоящее время становится ключевым фактором в управлении их электронными свойствами.

Исследователи планируют продолжить изучение свойств этих киральных токов и изучить их потенциальные применения в различных электронных устройствах. Они также надеются идентифицировать другие материалы с аналогичными квантовыми геометрическими свойствами, которые можно было бы использовать для манипулирования киральными фермионами.