Исследователи разработали новый метод разделения электронов по их киральности, свойству, связанному 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, чья аффилиация не была сразу доступна, достигла этого, изготовив устройства из монокристаллического PdGa в трехлучевой геометрии. Эта конкретная конфигурация и материал используют индуцированные квантовой геометрией аномальные скорости киральных фермионов, 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 ведущий исследователь в этом исследовании. «Используя присущие материалу свойства квантовой геометрии, мы можем фильтровать электроны по их киральности и направлять их в разные места».

Значимость этого исследования заключается в его отходе от традиционных методов разделения киральности, которые часто полагаются на сильные магнитные поля или магнитные примеси. Эти методы могут быть энергоемкими и вносить нежелательные сложности в электронные системы. Новый подход предлагает более эффективную и потенциально более масштабируемую альтернативу.

Топологические материалы, такие как PdGa, обладают уникальными электронными свойствами, возникающими из их зонной структуры. Эти материалы содержат киральные фермионы в топологических точках пересечения зон, что означает, что электроны ведут себя так, как если бы у них была определенная «хиральность». Квантовая геометрия этих зон играет решающую роль в влиянии на движение этих киральных фермионов.

Разделенные киральные токи также несут орбитальные намагниченности с противоположными знаками, открывая возможности для спинтронных устройств, которые используют спин электронов для обработки и хранения информации. Это может привести к разработке более энергоэффективных и быстрых электронных устройств.

Хотя исследование все еще находится на ранних стадиях, его последствия далеко идущие. Возможность контролировать и манипулировать киральными токами без магнитных полей может привести к достижениям в различных областях, включая квантовые вычисления, датчики и другие электронные приложения. В настоящее время команда работает над изучением других материалов и геометрий устройств для дальнейшей оптимизации процесса разделения киральности и изучения потенциальных применений.