Forscher haben eine komplexe Landschaft elektronischer Zustände entdeckt, die auf einem Kagome-Gitter koexistieren können, ähnlich denen in Hochtemperatur-Supraleitern, berichtet ein Team von Physikern des Boston College in einer Online-Vorabveröffentlichung. Temperieren Sie die Natur.

Der Fokus der Studie lag auf einem einzigen massiven Kristall eines topologischen Kagome-Minerals, bekannt als CsV₃schwören₅– Ein Metall, das unter 2,5 Grad Kelvin oder minus 455 Grad Fahrenheit supraleitend wird. Das exotische Material besteht aus atomaren Ebenen, die aus Vanadiumatomen bestehen, die auf einem sogenannten Kagome-Gitter angeordnet sind – beschrieben als ein Muster überlappender Dreiecke und Sechsecke – die übereinander gestapelt sind, mit Cäsium- und Antimon-Abstandsschichten zwischen den Kagome-Ebenen.

Das Material bietet einen Einblick in die physikalischen Eigenschaften von Quantenfestkörpern – wie Lichtdurchlässigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder Reaktion auf Magnetfeld– bezogen auf die Grundgeometrie der Atomgitterstruktur. Da ihre Geometrien destruktive Interferenzen verursachen und die Kinematik der Elektronen durchqueren, werden Kagome-Gittermaterialien geschätzt, da sie einen einzigartigen und fruchtbaren Boden für die Untersuchung von quantenelektronischen Zuständen bieten, die als frustrierend, kohärent und topologisch beschrieben werden.

Die meisten experimentellen Bemühungen haben sich bisher auf Kagome-Magnete konzentriert. Die Materialien, die das Team untersuchte, sind nicht magnetisch, was die Tür öffnet, um zu untersuchen, wie sich Elektronen in Kagome-Systemen ohne Magnetismus verhalten. Die elektronische Struktur dieser Kristalle kann als „topologisch“ klassifiziert werden, während hohe elektrische Leitfähigkeit Es macht es zu „Metall“.

„Eine Reihe miteinander verbundener Elektronenzustände im Kagome-Supraleiter CsV“, sagte Ilija Zelikowicz, Assistenzprofessor für Physik am Boston College und Mitautor des Berichts.₃schwören₅. „

Im Metall bilden sich die Elektronen im Kristall A Flüssigkeitsstatus. Elektrische Leitung tritt auf, wenn ein geladenes Fluid unter einer Vorspannung fließt. Zelikowicz, der die Forschung mit den Kollegen vom Boston College, Zhiqiang Wang, und dem Doktoranden Hong Lei He Zhao, der an der Boston University in Physik promovierte, durchführte, sagte, das Team habe Rastertunnelspektroskopie verwendet, um die Auswirkungen der Elektron-Flüssigkeit-Quanteninterferenz zu untersuchen . BC im Jahr 2020 sowie Kollegen von der University of California, Santa Barbara.

Die Experimente ergaben eine „Kette“ von symmetriebrechenden Phasen für die Elektronenflüssigkeit, die durch die Korrelation zwischen Elektronen im Material angetrieben wird, berichtet das Team.

Sie treten sukzessive auf, wenn die Temperatur des Materials sinkt, es treten zuerst Welligkeiten oder stehende Wellen in der Elektronenflüssigkeit auf, sogenannte Ladungsdichtewellen, mit einer Periodizitätsdifferenz zum atomaren Grundgitter. Bei niedriger Temperatur bildet sich eine neue stehende Wellenkomponente nur entlang einer Richtung der Kristallachsen, so dass sich die elektrische Leitfähigkeit entlang dieser Richtung von jeder anderen Richtung unterscheidet.

Diese Phasen entwickeln sich im Normalzustand – oder im nicht supraleitenden metallischen Zustand – und bleiben ohne den supraleitenden Übergang bestehen, sagte Wang. Experimente zeigen, dass die Supraleitung in CsV₃schwören₅ Es entsteht und koexistiert mit einem kohärenten quantenelektronischen Zustand, der die räumlichen Symmetrien des Kristalls bricht.

Diese Ergebnisse könnten starke Auswirkungen darauf haben, wie Elektronen Cooper-Paare bilden und sich bei einer niedrigeren Temperatur in eine geladene Supraflüssigkeit oder einen Supraleiter verwandeln, der ohne Widerstand elektrisch leitfähig ist. In dieser Familie von Kagome-Supraleitern, sagte Zelikowicz, haben andere Forschungen bereits die Möglichkeit einer unkonventionellen Elektronenkopplung vorgeschlagen.

Forscher auf diesem Gebiet haben ein Phänomen beobachtet, das als Umkehrsymmetriebrechung bei CsV . bezeichnet wird₃schwören₅. Diese Symmetrieregel – die besagt, dass Aktionen umgekehrt ausgeführt werden, wenn die Zeit rückwärts läuft – wird normalerweise in magnetischen Materialien gebrochen, aber das Kagome-Mineral weist keine signifikanten magnetischen Momente auf. Die nächsten Schritte in dieser Forschung, sagte Zelikowicz, bestehen darin, diese offensichtliche Diskrepanz zu verstehen und zu verstehen, wie sich die in dieser neuesten Arbeit offenbarten elektronischen Zustände darauf beziehen Zeitreflexionssymmetrie brach zusammen.

Die Bedeutung und Forschung dieser neu entdeckten retikulären Kagome-Supraleiter spiegelt sich in einem gebundenen Zustand wider Temperieren Sie die Natur Artikel in derselben fortgeschrittenen elektronischen Ausgabe veröffentlicht. Das ebenfalls von Ziqiang Wang aus BC mitverfasste Forschungspapier „Roton pair density wave in the strong-coupled kagome supraconductor“ berichtet über die Beobachtung neuer stehender Wellen, die gleichzeitig von Cooper-Paaren mit anderer Periodizität gebildet werden. Kagome Supraleiter, CsV₃schwören₅.

„Die Veröffentlichung dieser beiden Berichte nebeneinander offenbart nicht nur neue und umfassende Erkenntnisse Kagome-Gitter Supraleiter, sondern zeigen auch das hohe Interesse und die Begeisterung rund um diese Materialien und so weiter Einzigartige Eigenschaften und Phänomene, die Forscher am Boston College und an Institutionen auf der ganzen Welt immer häufiger entdecken.“