研究透視：拓撲半金屬PdGa-手性費米子閥，量子幾何 | Nature

多重拓撲半金屬，在拓撲能帶交叉點處存在手性相反的費米子。拓撲體系中的手性費米子輸運，通常取決于強磁場或磁性摻雜劑，以抑制平凡輸運，并在相反陳數態的占據數中產生不平衡。

近日，馬普微結構物理研究所Anvesh Dixit，Claudia Felser & Stuart S. P. Parkin等在Nature上發文，利用拓撲能帶的量子幾何特性，按手性將費米子篩選至不同的陳數極化態。

這一方法可實現相反手性費米子電流的實空間分離，已在無外磁場條件下，通過觀測量子干涉效應驗證了該現象。基于單晶鈀鎵（PdGa）制備的三臂結構器件，展現出了量子幾何誘導的手性費米子反常速度，從而表現出了非線性霍爾效應。

因此，所產生的具有相反反常速度的橫向手性電流，在空間上分離至器件的外側臂中。這些處于相反陳數態的手性電流，還攜帶符號相反的軌道磁化強度。這些手性電流的介觀相位相干性，促進了馬赫-曾德爾干涉儀中的量子干涉。

該項研究，構建了一種手性費米子閥，具有三大核心特性：利用量子幾何，將手性費米子空間分離至陳數極化態；實現可調的電流誘導磁化；以及利用電場和磁場，實現手性準粒子的可控量子干涉提供平臺。為未來低功耗拓撲電子學、量子計算與手性電子器件提供了解決方案。

A chiral fermionic valve driven by quantum geometry.

量子幾何驅動的手性費米子閥。

圖1: 多重拓撲半金屬鈀鎵PdGa。

圖2: 基于非線性霍爾效應nonlinear Hall effect，NLH效應，從平凡電荷中過濾手征費米子。

圖3: 電場誘導軌道角動量orbital angular momentum，OAM的量子度量。

圖4: 手性費米子電流攜帶軌道磁化。

圖5:手性電流的量子干涉。

科普解讀：這種特殊材料PdGa能像交通分流器一樣，把不同“旋轉方向”的電子分到不同路徑。同時具有手性結構，電子在內部運動時，會表現出左右不同的“手性”。還設計了三叉形微器件，通過施加電流，利用電子波函數的量子幾何性質，讓左旋和右旋的電子自動分開，向左走和向右走，形成“手性電流”。這些分開的電子流還能像光波一樣互相干涉，展現出量子特性。

文獻鏈接

Dixit, A., Sivakumar, P.K., Manna, K. et al. A chiral fermionic valve driven by quantum geometry. Nature649, 47–52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09864-5

本文譯自Nature。

來源：今日新材料

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