Ученые создали «квантовый вентиль» для управления частицами с помощью геометрии

Международная группа ученых из Института микроструктурной физики имени Макса Планка в Галле и Института химической физики твердых тел имени Макса Планка в Дрездене представила принципиально новый способ управления квантовыми частицами в твердых телах. В статье, опубликованной в журнале Nature, исследователи сообщают об экспериментальной демонстрации «хирального фермионного вентиля» — устройства, которое пространственно разделяет квантовые частицы с противоположной хиральностью (киральностью), используя исключительно квантовую геометрию, без магнитных полей или магнитных материалов.

Схема хирального фермионного вентиля. Автор: Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09864-5

Работа была выполнена под руководством Анеша Дикшита, аспиранта в группе Стюарта Паркина в Галле и первого автора исследования, который спроектировал, изготовил и измерил мезоскопические устройства, сделавшие открытие возможным.

Этот проект стал возможен только потому, что мы смогли объединить материалы исключительного топологического качества и транспортные эксперименты на мезоскопическом квантовом пределе. Видеть, как хиральные фермионы разделяются и интерферируют исключительно из-за квантовой геометрии, действительно захватывающе.

Хиральные фермионы — квантовые частицы, различающиеся по «рукости» (направлению вращения), — являются центральными для топологических квантовых материалов и обещают применение в сверхмалоэнергетической электронике, спинтронике и квантовых вычислениях. До сих пор управление хиральными фермионами требовало сильных магнитных полей или магнитного легирования, что сильно ограничивало практические концепции устройств.

В этой работе исследователи показали, что в качестве «регулятора» можно использовать квантовую геометрию — фундаментальное свойство электронных волновых функций. Высококачественные монокристаллы гомохирального топологического полуметалла PdGa, синтезированные группой Клаудии Фельзер в Дрездене, содержат многосоставные фермионы с большими и противоположными числами Черна.

При приложении электрического тока нетривиальная квантовая геометрия этих зон создает зависящие от хиральности аномальные скорости. Микроструктурировав кристаллы PdGa в трехплечевые устройства, Дикшит и его коллеги продемонстрировали, что фермионы с противоположной хиральностью отклоняются в разные плечи, в то время как тривиальные носители заряда отфильтровываются.

Это новая электронная функциональность, — объясняет Стюарт Паркин. — Подобно тому, как транзисторы управляют зарядом, а спиновые вентили — спином, это устройство управляет фермионной хиральностью — степенью свободы, которая до сих пор была недоступна в электронике.

Было показано, что разделенные хиральные токи несут орбитальные намагниченности противоположного знака, генерируемые динамически самим электрическим током. Ключевым моментом является то, что эти токи остаются фазово-когерентными на мезоскопических расстояниях, превышающих 15 микрометров.

Используя интерферометр Маха — Цендера, вырезанный непосредственно из PdGa, команда наблюдала квантовую интерференцию хиральных токов даже при нулевом внешнем магнитном поле, демонстрируя когерентный квантовый транспорт топологических квазичастиц в реалистичной геометрии устройства.

Это прекрасно иллюстрирует, как квантовые материалы могут содержать совершенно новые принципы работы устройств, — говорит Клаудия Фельзер. — Здесь квантовая геометрия заменяет магнетизм в качестве функционального элемента.

Продемонстрированный хиральный фермионный вентиль устанавливает три ключевые возможности:

• Пространственное разделение хиральных фермионов на состояния, поляризованные по числу Черна.
• Электрическое управление токоиндуцированной орбитальной намагниченностью, включая её полярность.
• Настраиваемая платформа для квантовой интерференции хиральных квазичастиц.

Поскольку эффект не зависит от магнитных полей, магнитного порядка или электростатического затвора, он широко применим к большому семейству гомохиральных и многосоставных топологических материалов. Результаты открывают путь к созданию хиральной квантовой электроники, где информация кодируется и обрабатывается с использованием «рукости» квантовых состояний.

Дополнительная информация: Anvesh Dixit et al, A chiral fermionic valve driven by quantum geometry, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09864-5