Onderzoekers hebben een complex landschap van elektronische toestanden ontdekt die naast elkaar kunnen bestaan ​​op een Kagome-rooster, die lijken op die in supergeleiders bij hoge temperaturen, een team van natuurkundigen van Boston College rapporteert in een elektronische publicatie van het tijdschrift Natuur .

De focus van de studie was een bulk eenkristal van een topologisch kagome-metaal, bekend als CsV ₃ sb ₅ -een metaal dat supergeleidend wordt onder 2,5 graden Kelvin, of min 455 graden Fahrenheit. Het exotische materiaal is opgebouwd uit atomaire vlakken die zijn samengesteld uit vanadiumatomen die zijn gerangschikt op een zogenaamd kagome-rooster - beschreven als een patroon van verweven driehoeken en zeshoeken - die op elkaar zijn gestapeld, met Cesium- en Antimoon-afstandslagen tussen de kagome-vlakken.

Het materiaal biedt inzicht in hoe de fysieke eigenschappen van kwantumvaste stoffen, zoals lichttransmissie, elektrische geleiding, of reactie op een magnetisch veld - hebben betrekking op de onderliggende geometrie van de atomaire roosterstructuur. Omdat de geometrie destructieve interferentie veroorzaakt en de kinetische beweging van passerende elektronen "frustreert", Kagome-roostermaterialen worden gewaardeerd omdat ze de unieke en vruchtbare grond bieden voor de studie van kwantumelektronische toestanden die worden beschreven als gefrustreerd, gecorreleerd en topologisch.

De meeste experimentele inspanningen tot nu toe waren gericht op kagome-magneten. Het materiaal dat het team onderzocht is niet magnetisch, wat de deur opent om te onderzoeken hoe elektronen in kagome-systemen zich gedragen in afwezigheid van magnetisme. De elektronische structuur van deze kristallen kan worden geclassificeerd als "topologisch", terwijl de hoge elektrische geleidbaarheid het een "metaal" maakt.

"Dit topologische metaal wordt supergeleidend bij lage temperatuur, wat een zeer zeldzame gebeurtenis is van supergeleiding in een kagome-materiaal, " zei Ilija Zeljkovic, universitair hoofddocent natuurkunde aan het Boston College, een hoofdco-auteur van het rapport, getiteld "Cascade van gecorreleerde elektronentoestanden in een kagome supergeleider CsV ₃ sb ₅ ."

In een metalen, elektronen in het kristal vormen een vloeibare toestand. Elektrische geleiding vindt plaats wanneer de geladen vloeistof onder een voorspanning stroomt. Het team gebruikte scanning tunneling spectroscopie om de kwantuminterferentie-effecten van de elektronenvloeistof te onderzoeken, zei Zeljkovic, die het onderzoek uitvoerde met collega's van Boston College, hoogleraar natuurkunde Ziqiang Wang, afgestudeerde student Hong Li, en hij Zhao, die in 2020 promoveerde in de natuurkunde aan BC, evenals collega's van de Universiteit van Californië, Santa Barbara.

De experimenten onthulden een "cascade" van symmetrie-gebroken fasen van de elektronenvloeistof aangedreven door de correlatie tussen de elektronen in het materiaal, meldde het team.

Opeenvolgend optredend als de temperatuur van het materiaal werd verlaagd, rimpelingen, of staande golven, verschijnen eerst in de elektronenvloeistof, bekend als ladingsdichtheidsgolven, met periodiciteit die verschilt van het onderliggende atoomrooster. Bij een lagere temperatuur, een nieuwe staande golfcomponent kiemt slechts langs één richting van de kristalassen, zodat de elektrische geleiding in deze richting anders is dan in enige andere richting.

Deze fasen ontwikkelen zich in de normale toestand - of de niet-supergeleidende metallische toestand - en blijven bestaan ​​onder de supergeleidende overgang, zei Wang. De experimenten tonen aan dat supergeleiding in CsV ₃ sb ₅ komt voort uit, en bestaat samen met, een gecorreleerde kwantumelektronische toestand die ruimtelijke symmetrieën van het kristal doorbreekt.

De bevindingen kunnen sterke implicaties hebben voor hoe de elektronen "Cooper" -paren vormen en bij een nog lagere temperatuur veranderen in een geladen superfluïde, of een supergeleider die in staat is tot elektrische geleiding zonder weerstand. In deze familie van Kagome-supergeleiders, ander onderzoek heeft al de mogelijkheid van onconventionele elektronenparen gesuggereerd, zei Zeljkovic.

Onderzoekers in het veld hebben een fenomeen opgemerkt genaamd time-reversal symmetrie breaking in CsV ₃ sb ₅ . Deze symmetrieregel - die stelt dat acties in omgekeerde richting zouden worden uitgevoerd als de tijd achteruit zou lopen - wordt meestal verbroken in magnetische materialen, maar het kagome-metaal vertoont geen substantiële magnetische momenten. Zeljkovic zei dat de volgende stappen in dit onderzoek zijn om deze schijnbare tegenstrijdigheid te begrijpen en hoe de elektronische toestanden die in dit recente werk worden onthuld, verband houden met het breken van tijdomkering van symmetrie.

Het niveau van significantie en onderzoek naar deze recent ontdekte supergeleiders van het Kagome-rooster wordt weerspiegeld in een bijbehorende Natuur artikel gepubliceerd in dezelfde geavanceerde elektronische editie. Ook co-auteur van BC's Ziqiang Wang, de krant, getiteld "Roton-paardichtheidsgolf in een sterk gekoppelde Kagome-supergeleider, " meldt de waarneming van nieuwe staande golven gevormd door Cooper-paren met nog een andere periodiciteit in dezelfde Kagome-supergeleider, CsV ₃ sb ₅ .

"De publicatie van deze twee rapporten naast elkaar onthult niet alleen nieuwe en brede inzichten in supergeleiders van het Kagome-rooster, maar signaleert ook de grote belangstelling en opwinding rond deze materialen en hun unieke eigenschappen en fenomenen, die onderzoekers van Boston College en instellingen over de hele wereld steeds vaker ontdekken, ' zei Wang.