Naukowcy z Uniwersytetu Rice oraz współpracujących instytucji odkryli bezpośrednie dowody na aktywne płaskie pasma elektronów w nadprzewodniku kagome. Ten przełom może otworzyć drogę do nowych metod projektowania materiałów kwantowych – w tym nadprzewodników, izolatorów topologicznych i elektroniki opartej na spinie – które mogłyby zasilać przyszłe technologie elektroniczne i komputerowe. Studium opublikowane w czasopiśmie Nature Communications 14 sierpnia koncentruje się na nadprzewodzącym metalu kagome na bazie chromu CsCr₃Sb₅, który staje się nadprzewodzący pod wpływem ciśnienia.
Metale kagome, charakteryzujące się dwuwymiarowymi sieciami składającymi się z trójkątów o rogach, niedawno zostały przewidziane jako gospodarze złożonych orbitali molekularnych, czyli stojące wzory falowe elektronów, które potencjalnie mogą ułatwić niekonwencjonalną nadprzewodność i nowe porządki magnetyczne, które mogą być uruchomione przez efekty korelacji elektronowej. W większości materiałów te płaskie pasma pozostają zbyt daleko od aktywnych poziomów energetycznych, by miały istotny wpływ; jednakże, w CsCr₃Sb₅ są one aktywnie zaangażowane i bezpośrednio wpływają na właściwości materiału.
Pengcheng Dai, Ming Yi i Qimiao Si z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Rice oraz Instytutu Smalley-Curl, oraz Di-Jing Huang z Narodowego Centrum Badań Promieniowania Synchrotronowego na Tajwanie, prowadzili badanie.
„Nasze wyniki potwierdzają zaskakującą teoretyczną przewidywaną i ustalają ścieżkę do inżynierii egzotycznej nadprzewodności poprzez kontrolę chemiczną i strukturalną” – powiedział Dai, profesor fizyki i astronomii Sam and Helen Worden.
To odkrycie dostarcza eksperymentalnego potwierdzenia dla pomysłów, które istniały tylko w modelach teoretycznych. Pokazuje również, jak skomplikowana geometria sieci kagome może być używana jako narzędzie projektowe do kontrolowania zachowania elektronów w ciałach stałych.
„Identyfikując aktywne płaskie pasma, wykazaliśmy bezpośrednie połączenie między geometrią sieci a emergentnymi stanami kwantowymi” – powiedział Yi, adiunkt w dziedzinie fizyki i astronomii.
Zespół badawczy zastosował dwie zaawansowane techniki synchrotronowe wraz z modelowaniem teoretycznym, aby zbadać obecność aktywnych rezonujących stanów elektronów. Wykorzystali spektroskopię fotoemisyjną z pomiarową zależnością kąta (ARPES), aby zmapować elektrony emitowane pod światłem synchrotronowym, odsłaniając wyraźne sygnały związane z orbitalami molekularnymi. Resonansowe rozpraszanie promieni rentgenowskich (RIXS) mierzyło magnetyczne wzbudzenia związane z tymi stanami elektronicznymi.
„Wyniki ARPES i RIXS naszego zespołu dają spójny obraz, że tutaj płaskie pasma nie są biernymi obserwatorami, ale aktywnymi uczestnikami w kształtowaniu krajobrazu magnetycznego i elektronicznego” – powiedział Si, profesor fizyki i astronomii Harry C. i Olga K. Wiess. „To niesamowite, że możemy to zobaczyć, biorąc pod uwagę, że do tej pory byliśmy w stanie obserwować takie cechy tylko w abstrakcyjnych modelach teoretycznych.”
Wsparcie teoretyczne zostało dostarczone poprzez analizę wpływu silnych korelacji, poczynając od budżetu modelu siatki elektronowej, który odtworzył obserwowane cechy i pomógł w interpretacji wyników. Fang Xie, starszy członek Akademii Rice i współ-autor prowadził tę część badania.
Otrzymanie tak precyzyjnych danych wymagało niezwykle dużych i czystych kryształów CsCr₃Sb₅, syntezyzowanych przy użyciu udoskonalonej metody, która dała próbki o 100 razy większym rozmiarze niż dotychczasowe próby, powiedział Zehao Wang, doktorant na Uniwersytecie Rice i współ-autor.
Praca podkreśla potencjał interdyscyplinarnej współpracy między dziedzinami nauki, powiedział Yucheng Guo, doktorant na Uniwersytecie Rice i współautor, który prowadził badania ARPES.
„Tę pracę można było zrealizować dzięki współpracy obejmującej projektowanie materiałów, syntezy, charakteryzację spektroskopii elektronowej i magnetycznej oraz teorię” – powiedział Guo.
Współautorzy z Uniwersytetu Rice to Yuefei Huang, Bin Gao, Ji Seop Oh, Han Wu, Zheng Ren, Yuan Fang, Yiming Wang, Ananya Biswas, Yichen Zhang, Ziqin Yue, Boris Yakobson i Junichiro Kono.
Inni współpracownicy to Hsiao-Yu Huang, Jun Okamoto, Ganesha Channagowdra, Atsushi Fujimori i Chien-Te Chen z Narodowego Centrum Badań Promieniowania Synchrotronowego na Tajwanie; Xingye Lu z Beijing Normal University; Zhaoyu Liu i Jiun-Haw Chu z University of Washington; Cheng Hu, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick i Eli Rotenberg z Lawrence Berkeley National Laboratory; Makoto Hashimoto i Donghui Lu ze SLAC National Accelerator Laboratory; Robert Birgeneau z University of California, Berkeley; i Guang-Han Cao z Zhejiang University.
Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Fundacja Roberta A. Welcha, Fundacja Gordona i Betty Moore’a, Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Fundacja Narodowej Nauki oraz program Fellowship dowódcy Vannevara Busha wspierały to badanie.
link źródłowy
