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

Команда, члены которой не названы в предоставленном резюме, достигла этого, изготовив устройства из монокристаллического PdGa в трехоплечевой геометрии. Эта специфическая геометрия использует индуцированные квантовой геометрией аномальные скорости киральных фермионов, что приводит к нелинейному эффекту Холла. Результирующие поперечные киральные токи, обладающие противоположными аномальными скоростями, затем пространственно разделяются во внешние плечи устройства.

"Это исследование демонстрирует возможность манипулирования электронами на основе их собственных квантовых свойств, открывая новые возможности для передовых электронных устройств", — говорится в заявлении, включенном в резюме.

Значимость этого исследования заключается в его отходе от традиционных методов разделения киральности, которые часто полагаются на сильные магнитные поля или магнитные добавки. Эти методы могут быть ограничивающими из-за их энергопотребления и потенциального вмешательства в работу устройства. Новый подход, использующий квантовую геометрию, предлагает более энергоэффективный и потенциально более точный способ управления потоком электронов.

Топологические полуметаллы, материалы, используемые в этом эксперименте, характеризуются уникальными электронными зонными структурами, содержащими точки, где зоны пересекаются. Эти пересечения содержат фермионы с противоположными киральностями. Квантовая геометрия этих зон играет решающую роль в фильтрации фермионов по киральности в отдельные состояния, поляризованные числом Черна, которые необходимы для процесса разделения.

Команда наблюдала квантовую интерференцию этих разделенных киральных токов, что еще раз подтверждает эффективность их метода. Это наблюдение было сделано в отсутствие какого-либо магнитного поля, что подчеркивает потенциал для создания более эффективных и менее энергоемких электронных устройств.

Последствия этого исследования распространяются на различные области, включая спинтронику и квантовые вычисления. Возможность контролировать и манипулировать киральными токами может привести к разработке новых типов электронных устройств с расширенными функциональными возможностями. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на оптимизации конструкции устройства и изучении других топологических материалов для повышения эффективности разделения и расширения спектра применений.