Het concept van chiraliteit is goed ingeburgerd in de wetenschap:wanneer een object niet op zijn spiegelbeeld kan worden gelegd, zowel het object als zijn spiegelbeeld worden chiraal genoemd. In de geneesmiddelenindustrie, bijvoorbeeld, meer dan 50% van de tegenwoordig gebruikte farmaceutisch actieve moleculen zijn chirale moleculen. Terwijl een van de 'enantiomeren' levensreddend is, zijn tegenhanger met tegengestelde handigheid kan giftig zijn. Een ander concept dat veel belangstelling heeft gekregen in de hedendaagse materiaalwetenschap is topologie, omdat veel zogenaamde topologische materialen exotische eigenschappen hebben. Bijvoorbeeld, topologische materialen kunnen beschermde randtoestanden hebben waar elektronen vrij kunnen stromen zonder weerstand, alsof er aan de rand van een materiaal een supergeleidend pad van elektronen is ontstaan. Dergelijke onconventionele eigenschappen zijn een manifestatie van de kwantumaard van materie. De topologische materialen kunnen worden geclassificeerd door een speciaal kwantumnummer, de topologische lading of het Chern-getal genoemd.

Chirale topologische materialen hebben bijzonder unieke eigenschappen die nuttig kunnen zijn in toekomstige apparaten voor kwantumcomputers die berekeningen aanzienlijk zouden kunnen versnellen. Een voorbeeld van zo'n eigenschap is de lang gezochte grote gekwantiseerde fotogalvanische stroom. Hier wordt een vaste gelijkstroom gegenereerd in een chiraal topologisch materiaal dat eenmaal is blootgesteld aan circulair gepolariseerd licht, die onafhankelijk is van de sterkte van invallende straling en de richting ervan kan worden gemanipuleerd door de polarisatie van invallend licht. Dit fenomeen berust op het feit dat het materiaal een hoge topologische lading heeft van 4, dat is de maximaal mogelijke waarde in elk materiaal.

Vastestofchemici en natuurkundigen van het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI CPfS), het Leibniz Instituut voor Solid State and Materials Research (IFW), het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), het Helmholtz-Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie (HZB) en de University of Science and Technology of China, Hefei slaagde erin deze eigenaardige elektronische toestand voor het eerst te realiseren in de nieuwe chirale topologische verbinding PtGa. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

In de studie, de onderzoekers hebben uitzonderlijk sterke spin-baankoppeling in PtGa gebruikt als de belangrijkste parameter om het aantal speciale topologische oppervlaktetoestanden duidelijk op te lossen en te tellen, de Fermi-bogen genoemd, die de topologische lading bepalen. "PtGa is de beste verbinding die in de natuur bestaat met een chirale B20-structuur om spin-split Fermi-bogen te observeren en het maximale Chern-getal 4 te realiseren, omdat het de sterkste spin-baankoppeling heeft." zegt Kaustuv Manna, een van de auteurs van de studie die als wetenschapper werkt aan het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids Dresden.

Theoretische berekeningen uitgevoerd door Yan Sun en zijn collega's suggereerden dat de verbinding PtGa een veelbelovende kandidaat is om de hoge topologische lading waar te nemen, die experimenteel werd geverifieerd door Mengyu Yao en zijn collega's die gedetailleerde hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) onderzoeken uitvoerden. ARPES is een krachtig hulpmiddel om het gedrag van elektronen in vaste stoffen te onderzoeken.

"Het werk van Yao et al. onthult dat PtGa een topologisch halfmetaal is met een maximale chirale lading en de sterkste spin-orbitale koppeling heeft van alle tot nu toe geïdentificeerde chirale kristallen. Deze waarneming is significant en heeft grote implicaties voor zijn transporteigenschappen, zoals magnetotransport." legt Ming Shi uit, een professor en senior wetenschapper aan het Paul Scherrer Institute, Zwitserland.

Het onderzoek is een voorbeeld van een uitstekende samenwerking tussen onderzoeksgroepen die verschillende expertisegebieden bestrijken. Binnen het excellentiecluster ct.qmat, wetenschappers werken samen om fundamenteel nieuwe toestanden van materie te onderzoeken. "We richten ons op nieuwe materialen waarvan de waargenomen eigenschappen en functies worden aangedreven door kwantummechanische interacties op atomair niveau, met halfmetalen zoals PtGa als een van de meest opwindende voorbeelden, " zegt Jochen Wosnitza, Directeur van het Dresden High Magnetic Field Laboratory (HLD) bij HZDR, verwijzend naar een van de belangrijkste onderzoeksthema's van het cluster. Instituten die deelnemen aan het cluster en meewerken aan de huidige publicatie zijn onder meer de DRESDEN-conceptpartners MPI CPfS, IFW, en HZDR.