En kagome gitter superleder afslører en kaskade af kvanteelektrontilstande

Forskere har opdaget et komplekst landskab af elektroniske tilstande, der kan eksistere side om side på et kagome-gitter, ligner dem i højtemperatursuperledere, et hold af Boston College fysikere rapporterer i en forhånds elektronisk udgivelse af tidsskriftet Natur .

Fokus for undersøgelsen var en bulk enkelt krystal af et topologisk kagome metal, kendt som CsV ₃ Sb ₅ -et metal, der bliver superledende under 2,5 grader Kelvin, eller minus 455 grader Fahrenheit. Det eksotiske materiale er bygget af atomplaner sammensat af vanadium-atomer arrangeret på et såkaldt kagome-gitter – beskrevet som et mønster af sammenflettede trekanter og sekskanter – stablet oven på hinanden, med cæsium- og antimon-afstandslag mellem kagomeplanerne.

Materialet giver et vindue til, hvordan de fysiske egenskaber af kvantefaststoffer - såsom lystransmission, elektrisk ledning, eller reaktion på et magnetfelt - relaterer til den underliggende geometri af atomgitterets struktur. Fordi dens geometri forårsager destruktiv interferens og "frustrerer" den kinetiske bevægelse af krydsende elektroner, kagome gittermaterialer er værdsat for at tilbyde det unikke og frugtbare grundlag for studiet af kvanteelektroniske tilstande beskrevet som frustrerede, korreleret og topologisk.

Størstedelen af ​​eksperimentelle bestræbelser indtil videre har fokuseret på kagome-magneter. Materialet, som holdet undersøgte, er ikke magnetisk, som åbner døren for at undersøge, hvordan elektroner i kagome-systemer opfører sig i fravær af magnetisme. Den elektroniske struktur af disse krystaller kan klassificeres som "topologisk", mens høj elektrisk ledningsevne gør det til et "metal".

"Dette topologiske metal bliver superledende ved lav temperatur, hvilket er en meget sjælden forekomst af superledning i et kagome-materiale, " sagde Boston College lektor i fysik Ilija Zeljkovic, en ledende medforfatter af rapporten, med titlen "Kaskade af korrelerede elektrontilstande i en kagomesuperleder CsV ₃ Sb ₅ ."

I et metal, elektroner i krystallen danner en flydende tilstand. Elektrisk ledning sker, når den ladede væske strømmer under en forspænding. Holdet brugte scanning tunneling spektroskopi til at undersøge kvanteinterferenseffekterne af elektronvæsken, sagde Zeljkovic, som udførte forskningen sammen med Boston College-kolleger, professor i fysik Ziqiang Wang, kandidatstuderende Hong Li, og He Zhao, som fik sin doktorgrad i fysik ved BC i 2020, samt kolleger fra University of California, Santa Barbara.

Eksperimenterne afslørede en "kaskade" af symmetribrudte faser af elektronvæsken drevet af korrelationen mellem elektronerne i materialet, holdet rapporterede.

Opstår fortløbende efterhånden som materialets temperatur blev sænket, krusninger, eller stående bølger, kommer først frem i elektronvæsken, kendt som ladningstæthedsbølger, med periodicitet forskellig fra det underliggende atomgitter. Ved en lavere temperatur, en ny stående bølgekomponent danner kun kerner langs én retning af krystalakserne, sådan at elektrisk ledning langs denne retning er anderledes end i nogen anden retning.

Disse faser udvikler sig i den normale tilstand - eller den ikke-superledende metalliske tilstand - og fortsætter under den superledende overgang, sagde Wang. Forsøgene viser, at superledning i CsV ₃ Sb ₅ kommer frem fra, og sameksisterer med, en korreleret kvanteelektronisk tilstand, der bryder rumlige symmetrier af krystallen.

Resultaterne kan have stærke konsekvenser for, hvordan elektronerne danner "Cooper"-par og bliver til en ladet supervæske ved en endnu lavere temperatur, eller en superleder, der er i stand til elektrisk ledning uden modstand. I denne familie af kagome superledere, anden forskning har allerede foreslået muligheden for ukonventionel elektronparring, sagde Zeljkovic.

Forskere på området har bemærket et fænomen kaldet time-reversal symmetri breaking i CsV ₃ Sb ₅ . Denne symmetriregel – som går ud på, at handlinger ville blive udført omvendt, hvis tiden skulle løbe baglæns – er typisk brudt i magnetiske materialer, men kagome-metallet viser ingen væsentlige magnetiske momenter. Zeljkovic sagde, at de næste skridt i denne forskning er at forstå denne tilsyneladende modsigelse, og hvordan de elektroniske tilstande, der er afsløret i dette seneste arbejde, er relateret til brud på tidsvendende symmetri.

Betydningsniveauet og forskningen i disse nyligt opdagede kagome gitter superledere afspejles i en associeret Natur artikel udgivet i samme elektroniske udgave. Også medforfatter af BC's Ziqiang Wang, papiret, med titlen "Rotonpar-densitetsbølge i en kagomesuperleder med stærk kobling, " rapporterer observationen af ​​nye stående bølger dannet af Cooper-par med endnu en periodicitet i den samme kagomesuperleder, CsV ₃ Sb ₅ .

"Udgivelsen af ​​disse to rapporter side om side afslører ikke kun ny og bred indsigt i kagome gitter superledere, men signalerer også det høje niveau af interesse og begejstring omkring disse materialer og deres unikke egenskaber og fænomener, som forskere ved Boston College og institutioner rundt om i verden opdager med stigende frekvens, " sagde Wang.