Zogenaamde kagome-metalen, genoemd naar het Japanse geweven bamboepatroon waar hun structuur op lijkt, hebben symmetrische patronen van verweven, hoekdelende driehoeken. Deze ongebruikelijke roostergeometrie en zijn inherente kenmerken leiden op hun beurt tot merkwaardige kwantumverschijnselen zoals onconventionele of hoge temperatuur supergeleiding.

Het potentieel voor apparaten die elektriciteit kunnen transporteren zonder dissipatie bij kamertemperatuur - evenals een dorst naar fundamenteel theoretisch begrip - hebben onderzoekers ertoe gebracht deze nieuwe klasse van kwantummaterialen te onderzoeken en te proberen uit te zoeken hoe elektronen interageren met het kagome-rooster om dergelijke opmerkelijke eigenschappen.

Een recent ontdekte klasse van AV₃ Sb₅ kagome-metalen, waarbij A =K, Rb of Cs kan zijn, bleken bijvoorbeeld bulksupergeleiding te vertonen in eenkristallen bij een maximum Tc van 2,5 K bij omgevingsdruk. Onderzoekers vermoeden dat dit een geval is van onconventionele supergeleiding, aangedreven door een ander mechanisme dan de fononuitwisseling die de binding kenmerkt in de elektron-fonon-gekoppelde supergeleidende elektronenparen van conventionele supergeleiding.

Dit, evenals andere exotische eigenschappen die in het metaal worden waargenomen, wordt verondersteld te zijn verbonden met de meerdere "Van Hove-singulariteiten" (VHS's) in de buurt van het Fermi-niveau. VHS's, geassocieerd met de dichtheid van toestanden (DOS), of een reeks verschillende toestanden die elektronen op een bepaald energieniveau kunnen innemen, kunnen correlatie-effecten versterken wanneer een materiaal dit energieniveau nadert of bereikt. Als het Fermi-niveau in de buurt van een Van Hove-punt ligt, bepaalt de singuliere DOS het fysieke gedrag vanwege het grote aantal beschikbare lage-energietoestanden. In het bijzonder worden interactie-effecten niet alleen versterkt in het deeltje-deeltje, maar ook in de deeltje-gat-kanalen, wat leidt tot het idee van concurrerende orden.

Omdat deze VHS's de correlatie-effecten versterken, is het van cruciaal belang om hun aard en eigenschappen te bepalen. Dit is wat onderzoekers onder leiding van NCCR MARVEL-wetenschapper Professor Ming Shi, senior wetenschapper bij de Photon Science Division van het Paul Scherrer Institute, ertoe aanzette om het metaal verder te onderzoeken. Het artikel "Rich Nature of Van Hove Singularities in Kagome Superconductor CsV₃ Sb₅ ," onlangs gepubliceerd in Nature Communications , rapporteert over hun bevindingen.

VHS's kunnen worden ingedeeld in twee typen, conventionele en hogere-orde, en elk wordt geassocieerd met onderscheidende kenmerken:conventionele van Hove-singulariteiten hebben een logaritmische singulariteit, maar hogere-orde VHS vertonen een machtswet-afwijkende DOS. Bovendien hebben VHS's in kagome-roosters verschillende kenmerken in het subrooster die leiden tot een vermindering van de lokale elektrostatische interacties tussen elektrische ladingen, waardoor de rol van niet-lokale effecten effectief wordt versterkt.

Om de verschijnselen te onderzoeken, combineerden de onderzoekers de experimentele benadering van polarisatie-afhankelijke hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES) met de theoretische benadering van dichtheidsfunctionaaltheorie om de subroostereigenschappen van VHS's in het metaal direct te onthullen.

Ze identificeerden vier VHS's, waarvan er drie dicht bij het Fermi-niveau liggen. Een van hen, net onder het Fermi-niveau, vertoont een extreem vlakke dispersie, wat de experimentele ontdekking van VHS van hogere orde bevestigt, aldus de onderzoekers. Deze en andere kenmerken zijn gegeneraliseerd naar de AV3Sb5-familie van kagome-metalen en hebben een breed scala aan belangrijke fysieke implicaties, die in het artikel worden beschreven.

Over het algemeen kan het verschijnen van meerdere soorten VHS's in de buurt van het Fermi-niveau, afgeleid van de multi-orbitale aard, een rijke concurrentie veroorzaken voor verschillende paringsinstabiliteiten en daarom tal van verschillende orders genereren, afhankelijk van kleine veranderingen in de elektronenvulling. Dit betekent dat onderzoekers mogelijk toegang hebben tot de orders in deze metalen en deze zelfs kunnen afstemmen door middel van dragerdoping of externe druk. Beide benaderingen moeten verder worden onderzocht door middel van experiment en theorie, aldus de onderzoekers. + Verder verkennen

Onderzoekers onthullen elektronische aard van ladingsdichtheidsgolf en elektron-fononkoppeling in Kagome-supergeleider