Uusi tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa

Stuart Parkinin ryhmän Max Planck -mikrorakennefysiikan instituutissa Hallessa ja Claudia Felserin ryhmän Max Planck -kiinteiden aineiden kemiallisen fysiikan instituutista Dresdenistä yhteistyönä on toteutettu perustavanlaatuisesti uudenlainen tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa. 

Nature-lehdessä tutkijat raportoivat kiraalisen fermionisen venttiilin kokeellisesta demonstraatiosta – rakenteesta, joka erottaa vastakkaisen kiraalisuuden omaavia kvanttihiukkasia avaruudellisesti käyttämällä pelkästään kvanttigeometriaa ilman magneettikenttiä tai magneettisia materiaaleja.

Työtä veti Anvesh Dixit, Hallen Parkin'-ryhmän tohtoriopiskelija ja tutkimuksen ensimmäinen kirjoittaja, joka suunnitteli, valmisti ja mittasi löydön mahdollistaneet mesoskooppiset laitteet. ”Tämä projekti oli mahdollinen vain siksi, että pystyimme yhdistämään poikkeuksellisen topologisen laadun omaavia materiaaleja ja kuljetuskokeita mesoskooppisella kvanttirajalla”, Anvesh Dixit sanoo. ”Kiraalisten fermionien erottumisen ja interferoinnin näkeminen pelkästään kvanttigeometrian ansiosta on todella jännittävää.”

Kvanttigeometria uutena ohjausperiaatteena

Kiraaliset fermionit – kätisyytensä perusteella erottuvat kvanttihiukkaset – ovat keskeisiä topologisissa kvanttimateriaaleissa ja lupaavia sovelluksia erittäin pienen tehokäytön elektroniikassa, spintroniikassa ja kvantti-informaatiossa. Tähän asti kiraalisten fermionien hallinta on vaatinut voimakkaita magneettikenttiä tai magneettista dopingia, mikä rajoittaa merkittävästi käytännön laitekonsepteja. Tässä työssä tutkijat osoittavat, että elektronisten aaltofunktioiden perusominaisuutta, kvanttigeometriaa, voidaan käyttää niiden sijaan säätönuppina.

Mikrostrukturoimalla PdGa-kiteitä kolmihaaraisiksi rakenteiksi Dixit ja kollegat osoittivat, että vastakkaisen kiraalisuuden omaavat fermionit taipuvat eri haaroihin, kun taas triviaalit varauksenkuljettajat suodatetaan pois. "Tämä on uusi elektroninen toiminnallisuus", Stuart Parkin selittää. "Aivan kuten transistorit ohjaavat varausta ja spin-venttiilit ohjaavat spiniä, tämä piirirakenne-laite ohjaa fermionista kiraalisuutta – vapausastetta, joka on tähän mennessä ollut elektroniikassa saavuttamattomissa."

Kohti kiraalista kvanttielektroniikkaa

Esitelty kiraalinen fermioninen venttiili osoittaa kolme keskeistä ominaisuutta:

- Kiraalisten fermionien spatiaalinen erottelu Chern-luku-polarisoituneisiin tiloihin

 - Virran aiheuttaman orbitaalisen magnetisaation sähköinen ohjaus, mukaan lukien sen napaisuus

- Viritettävä alusta kiraalisten kvasihiukkasten kvantti-interferenssille

Koska vaikutus ei perustu magneettikenttiin, magneettiseen järjestykseen tai sähköstaattisiin symboleihin, sitä voidaan soveltaa laajasti homokiraalisten ja moninkertaisten topologisten materiaalien perheeseen.

Tulokset avaavat polun kiraaliseen kvanttielektroniikkaan, jossa informaatiota koodataan ja käsitellään kvanttitilojen kätisyyden avulla.

Aiheesta aiemmin:

Sähköistä kiraalisuuden kytkentää

Kiraalinen kvanttitila topologisessa materiaalissa