研究透视：拓扑半金属PdGa-手性费米子阀，量子几何 | Nature

多重拓扑半金属，在拓扑能带交叉点处存在手性相反的费米子。拓扑体系中的手性费米子输运，通常取决于强磁场或磁性掺杂剂，以抑制平凡输运，并在相反陈数态的占据数中产生不平衡。

近日，马普微结构物理研究所Anvesh Dixit，Claudia Felser & Stuart S. P. Parkin等在Nature上发文，利用拓扑能带的量子几何特性，按手性将费米子筛选至不同的陈数极化态。

这一方法可实现相反手性费米子电流的实空间分离，已在无外磁场条件下，通过观测量子干涉效应验证了该现象。基于单晶钯镓（PdGa）制备的三臂结构器件，展现出了量子几何诱导的手性费米子反常速度，从而表现出了非线性霍尔效应。

因此，所产生的具有相反反常速度的横向手性电流，在空间上分离至器件的外侧臂中。这些处于相反陈数态的手性电流，还携带符号相反的轨道磁化强度。这些手性电流的介观相位相干性，促进了马赫-曾德尔干涉仪中的量子干涉。

该项研究，构建了一种手性费米子阀，具有三大核心特性：利用量子几何，将手性费米子空间分离至陈数极化态；实现可调的电流诱导磁化；以及利用电场和磁场，实现手性准粒子的可控量子干涉提供平台。为未来低功耗拓扑电子学、量子计算与手性电子器件提供了解决方案。

量子几何驱动的手性费米子阀。

图1: 多重拓扑半金属钯镓PdGa。

图2: 基于非线性霍尔效应nonlinear Hall effect，NLH效应，从平凡电荷中过滤手征费米子。

图3: 电场诱导轨道角动量orbital angular momentum，OAM的量子度量。

图4: 手性费米子电流携带轨道磁化。

图5:手性电流的量子干涉。

科普解读：这种特殊材料PdGa能像交通分流器一样，把不同“旋转方向”的电子分到不同路径。同时具有手性结构，电子在内部运动时，会表现出左右不同的“手性”。还设计了三叉形微器件，通过施加电流，利用电子波函数的量子几何性质，让左旋和右旋的电子自动分开，向左走和向右走，形成“手性电流”。这些分开的电子流还能像光波一样互相干涉，展现出量子特性。

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