Team opdager uventet kvanteadfærd i kagome-gitteret

Et internationalt hold ledet af forskere ved Princeton University har afsløret et nyt mønster for bestilling af elektrisk ladning i et nyt superledende materiale.

Forskerne opdagede den nye type bestilling i et materiale indeholdende atomer arrangeret i en ejendommelig struktur kendt som et kagome gitter. Mens forskere allerede forstår, hvordan elektronens spin kan producere magnetisme, disse nye resultater giver indsigt i den grundlæggende forståelse af en anden type kvanteorden, nemlig orbital magnetisme, som adresserer, om ladningen spontant kan strømme i en sløjfe og producere magnetisme domineret af forlænget kredsløb af elektroner i et gitter af atomer. Sådanne orbitale strømme kan producere usædvanlige kvanteeffekter, såsom anomaliske Hall -effekter og være en forløber for ukonventionel superledning ved relativt høje temperaturer. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Opdagelsen af ​​en ny ladningsordre i en kagome superleder med topologisk båndstruktur, der også kan indstilles via et magnetfelt, er et stort skridt fremad, der kan låse op for nye horisonter i kontrol og udnyttelse af kvantetopologi og superledning til fremtidig grundlæggende fysik og næste- generation af enhedsforskning, " sagde M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton University, der ledede forskergruppen.

Opdagelsens rødder ligger i arbejdet med to grundlæggende opdagelser i 1980'erne. Den ene er quantum Hall-effekten-en topologisk effekt, som har været genstand for årtiers lang forskning. Hall-effekten var det første eksempel på, hvordan en gren af ​​teoretisk matematik, kaldet topologi, fundamentalt kunne ændre, hvordan man beskriver og klassificerer det emne, der udgør verden. Vigtige teoretiske begreber om den kvantiserede Hall -effekt blev fremsat i 1988 af F. Duncan Haldane, Thomas D. Jones professor i matematisk fysik og professor ved Sherman Fairchild University i fysik, der i 2016 blev tildelt Nobelprisen.

Den anden præcedens var opdagelsen af ​​den ukonventionelle højtemperatur-superleder, der blev genstand for Nobelprisen i 1987. Den usædvanlige tilstand af disse superledere har undret forskere. Vigtige teoretiske begreber om sløjfestrømme som en forløber for ukonventionel superledelse blev fremsat i slutningen af ​​1990'erne af flere teoretikere. I begge tilfælde det centrale forslag er, at ladningen kan flyde i et specielt gitter for at producere effekter som orbital magnetisme. Imidlertid, direkte eksperimentel realisering af sådan en meget spekulativ type elektronisk kvanteladningsordre er ekstremt udfordrende.

"Realiseringen af ​​den orbitale nuværende ladningsordre ville kræve, at materialerne havde både stærke vekselvirkninger og specielle gittergeometrier, der kun blev realiseret de sidste par år, " sagde Hasan.

Gennem flere års intens forskning om flere geometriske gittersystemer ( Natur 562, 91 (2018); Natur Phys 15, 443 (2019), Fys. Rev. Lett . 123, 196604 (2019), Naturfællesskab . 11, 559 (2020), Phys. Lett . 125, 046401 (2020), Natur 583, 533 (2020), Naturanmeldelser Fysik 3, 249 (2021), holdet indså gradvist, at kagome superledere kan være vært for en sådan topologisk ladningsordre. Snesevis af superledere med kagome gitter er blevet opdaget i løbet af de sidste 40 år, men ingen viste det ønskede mønster. En bemærkelsesværdig kagome-superleder er AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs), som tidlige forsøg har vist at indeholde antydninger af en skjult orden omkring 80 grader Kelvin, gør det til en plausibel platform til at lede efter den topologiske type ladningsrækkefølge.

"Superledelse tyder ofte på ustabilitet for systemets ladning, og kagome gitteret er kendt for at være et frustreret gittersystem, "Sagde Hasan." Kagome superledere kan danne forskellige eksotiske ladningsordrer, inklusive den topologiske type ladningsrækkefølge relateret til deres globale båndstruktur. Det førte os til vores søgning i denne familie, selv om det ikke var klart, om denne superledning var utraditionel, da vi begyndte at arbejde med dette materiale. "

Princeton-teamet af forskere brugte en avanceret teknik kendt som sub-atomisk opløsning scanning tunneling mikroskopi, som er i stand til at undersøge de elektroniske og spin-bølgefunktioner af materiale i subatomær skala med sub-millivolt energiopløsning ved sub-Kelvin temperaturer. Under disse finjusterede forhold, forskerne opdagede en ny type ladningsordre, der udviser kiralitet - det vil sige, orientering i en bestemt retning - i AV3Sb5.

"Den første overraskelse var, at materialets atomer omarrangerer sig til en højere orden (supergitter) gitterstruktur, der ikke forventedes at være der i vores data, "sagde Yuxiao Jiang, en kandidatstuderende ved Princeton og en af ​​de første medforfattere af papiret. "Sådan et supergitter er aldrig set i noget andet kagome-system, vi kender."

Supergitteret var det første tip til forskerne om, at der kunne være noget utraditionelt i dette materiale. Forskerne øgede yderligere materialets temperatur for at opdage, at supergitteret forsvandt over den kritiske temperatur i den skjulte fase, der blev estimeret ud fra den elektriske transportadfærd for hovedparten af ​​materialet.

"Denne konsistens giver os tillid til, at det, vi observerede, mere sandsynligt er et fænomen, der bestiller mængden frem for en overfladeeffekt, " sagde Jia-Xin Yin, en associeret forsker og en anden medforfatter af undersøgelsen.

Hasan tilføjede, "For en ordre med massegebyr, vi skal undersøge nærmere, om der er et energigab, og om ladningsfordelingen i det reelle rum viser nogen vending på tværs af energigabet."

Forskerne kontrollerede snart begge punkter for igen at bekræfte, at den uventede ladningsordre viser en slående ladningskørsel på tværs af energigabet, som også forsvinder ved den samme kritiske temperatur. De akkumulerede eksperimentelle beviser fastslog, at forskerne observerede en ladningsordre i et kagomemateriale, som aldrig er blevet rapporteret i noget andet kagome-system.

"Nu er vi i stand til at stille det større spørgsmål:om det kan være en topologisk afgiftskendelse?" sagde Hasan.

Yin tilføjede, "Heldigvis gennem vores systematiske forskning af geometriske gittersystemer i de seneste år, Vi har udviklet en vektor magnetisk feltbaseret scanningstunnelmikroskopimetode til at undersøge eventuelle potentielle topologiske træk ved materialet. "

Grundlæggende magnetfeltet, der anvendes på et elektronisk system, fører til en utrivelig topologi:magnetfluxkvanten (h/e) og quantum Hall -konduktans (Ne2/h, relateret til Tjern nummer N, en topologisk invariant) styres af det samme sæt grundlæggende konstanter, inklusive Plancks konstant h og elementarladning e; feltets vektornatur kan differentielt interagere med chiraliteten af ​​topologisk stof for at give adgang til effekter relateret til den topologiske invariant.

Forskerne udførte eksperimenter på ladningsordren ved nul magnetfelt, et positivt magnetfelt, og et negativt magnetfelt. "Inden dataene blev taget, vi vidste virkelig ikke, hvad der ville ske, Sagde Hasan.

Når eksperimenterne var afsluttet, Jiang sagde, svaret på spørgsmålet om topologisk lignende betalingsordre var "ja".

"Vi fandt ud af, at gebyrordren faktisk udviser en påviselig kiralitet, som kan skiftes af magnetfeltet, "Sagde Jiang.

Forskerne er begejstrede for deres første opdagelse. "Inden påstanden kunne fremsættes, vi havde stadig brug for at gengive dette resultat flere gange, at udelukke effekter fra scanningssonden, som kan være ekstrinsisk i naturen, "sagde Yin.

Forskerne brugte yderligere flere måneder på at finde ud af, at denne magnetfelt-omskiftelige chirale ladningsrækkefølge er allestedsnærværende i KV3Sb5, RbV3Sb5 og CsV3Sb5. "Nu er vi overbeviste om, at det er en iboende egenskab af denne materialeklasse, "Tilføjede Hasan, "Og det er meget spændende!"

Magnetfeltet bryder eksplicit tids-reverseringssymmetri. Derfor, deres observation viser, at den chirale ladningsrækkefølge i kagome-gitteret bryder tids-reverseringssymmetri. Dette er noget analogt med Haldane -modellen i bikagegitteret eller Chandra Varma -modellen i CuO2 -gitteret.

Forskere identificerede yderligere den direkte topologiske konsekvens af en sådan chiral ladningsrækkefølge. Ved hjælp af første-princip-beregninger af båndstrukturen, teamet fandt ud af, at denne chirale ladningsordre vil producere en stor unormal Hall -effekt med orbital magnetisme, hvilket er i overensstemmelse med det eksisterende transportresultat, som blev fortolket forskelligt i et tidligere arbejde.

Nu flytter gruppens teoretiske og eksperimentelle fokus til snesevis af forbindelser med kagome-gitter-fladbåndsegenskaber og også superledningsevne. "Dette er som at opdage vand på en exoplanet - det åbner en ny grænse for topologisk kvantematerialeundersøgelse, som vores laboratorium i Princeton er blevet optimeret til, Sagde Hasan.