Исследователи разработали новый метод разделения электронов на основе их киральности, свойства, связанного с их спином, используя квантовую геометрию топологических зон в немагнитном материале. Этот прорыв, подробно описанный в недавней публикации в журнале Nature, открывает путь к новым электронным устройствам, которые управляют потоком электронов без необходимости использования магнитных полей, которые обычно требуются для такого контроля.

Команда, члены которой не названы в предоставленном резюме, изготовила устройства из монокристаллического палладия-галлия (PdGa) в трехоружейной геометрии. Эти устройства демонстрировали нелинейный эффект Холла, явление, при котором электрический ток не пропорционален приложенному напряжению, из-за аномальных скоростей киральных фермионов, индуцированных квантовой геометрией. Это привело к пространственному разделению поперечных киральных токов с противоположными аномальными скоростями во внешние плечи устройства.

"Это позволяет разделить в реальном пространстве токи с противоположными фермионными киральностями", - пишут авторы исследования, - "что мы продемонстрировали, наблюдая их квантовую интерференцию в отсутствие какого-либо магнитного поля".

Топологические полуметаллы, материалы, используемые в этом исследовании, содержат фермионы с противоположными киральностями в точках пересечения топологических зон. Традиционно, контроль над киральным фермионным транспортом в этих системах требовал сильных магнитных полей или магнитных примесей для подавления нежелательного транспорта и создания дисбаланса в заполнении состояний с разными числами Черна, топологическим свойством, связанным с квантовомеханической фазой электрона. Этот новый подход использует квантовую геометрию топологических зон для фильтрации фермионов по киральности в отдельные состояния, поляризованные по числу Черна, предлагая более эффективный и потенциально менее энергоемкий метод.

Последствия этого исследования распространяются на разработку передовых электронных и спинтронных устройств. Разделяя электроны на основе их киральности без магнитных полей, становится возможным создавать новые типы датчиков, переключателей и других электронных компонентов. Кроме того, разделенные киральные токи также несут орбитальные намагниченности с противоположными знаками, открывая возможности для манипулирования магнитными свойствами в наномасштабе.

Исследователи предполагают, что будущая работа будет сосредоточена на оптимизации конструкции устройства и изучении других материалов с аналогичными топологическими свойствами для дальнейшего повышения производительности и расширения применимости этого кирального фермионного клапана. Отсутствие магнитных полей в этой технологии может привести к созданию более мелких, быстрых и энергоэффективных электронных устройств.