Исследователи из Университета Райса и сотрудничающих институтов обнаружили прямые доказательства существования активных плоских электронных зон в кагоме-сверхпроводнике. Это открытие может проложить путь для новых методов проектирования квантовых материалов — включая сверхпроводники, топологические изоляторы и электронику на основе спина — которые могут стать основой будущих электронных и вычислительных технологий.
Исследование под руководством Пэнчэн Дая, Минь И и Цимяо Си из Департамента физики и астрономии Университета Райса и Института Смолли-Керла, вместе с Ди-Цзин Хуангом из Тайваньского центра исследований синхротронного излучения, было опубликовано в журнале Nature Communications. В центре внимания находится металл на основе хрома CsCr₃Sb₅, который становится сверхпроводником под давлением.
Кагоме-металлы, характеризующиеся двумерными решётками из треугольников с общими углами, недавно было предсказано, что они могут содержать компактные молекулярные орбитали — стоячие волны электронов, которые потенциально могут способствовать нетрадиционной сверхпроводимости и новым магнитным порядкам. В большинстве материалов эти плоские зоны находятся слишком далеко от активных энергетических уровней, чтобы оказывать какое-либо существенное влияние; однако в CsCr₃Sb₅ они активно участвуют и напрямую влияют на свойства материала.
«Наши результаты подтверждают удивительное теоретическое предсказание и открывают путь для создания экзотической сверхпроводимости с помощью химического и структурного контроля», — сказал Дай, профессор физики и астрономии Сэм и Хелен Уорден.
Открытие предоставляет экспериментальное подтверждение идей, которые существовали только в теоретических моделях. Оно также показывает, как сложная геометрия решётки кагоме может быть использована в качестве инструмента проектирования для управления поведением электронов в твёрдых телах.
«Выявив активные плоские зоны, мы продемонстрировали прямую связь между геометрией решётки и возникающими квантовыми состояниями», — сказал И, доцент кафедры физики и астрономии.
Исследовательская группа использовала две передовые методики синхротронных исследований наряду с теоретическим моделированием для изучения наличия активных стоячих электронных мод. Они использовали спектроскопию с угловым разрешением (ARPES) для картирования электронов, испускаемых под действием синхротронного света, что позволило выявить чёткие сигнатуры, связанные с компактными молекулярными орбиталями. Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) позволило измерить магнитные возбуждения, связанные с этими электронными модами.
«Результаты ARPES и RIXS нашей совместной группы дают согласованную картину того, что плоские зоны здесь являются не пассивными наблюдателями, а активными участниками в формировании магнитного и электронного ландшафта», — сказал Си, профессор физики и астрономии Гарри К. и Ольги К. Висс.
Теоретическую поддержку обеспечил анализ эффекта сильных корреляций, начиная с созданной вручную модели электронной решётки, которая воспроизводила наблюдаемые особенности и направляла интерпретацию результатов. Фан Ся, младший научный сотрудник Академии Райса и соавтор-первый автор, руководил этой частью исследования.
Для получения таких точных данных потребовались необычно большие и чистые кристаллы CsCr₃Sb₅, синтезированные с использованием усовершенствованного метода, который позволил получить образцы в 100 раз больше, чем в предыдущих попытках, сказал Чжехао Ван, аспирант Университета Райса и соавтор-первый автор.
Работа подчёркивает потенциал междисциплинарных исследований в различных областях науки, сказал Юйчэн Го, аспирант Университета Райса и соавтор-первый автор, который руководил работой по ARPES.
«Эта работа стала возможной благодаря сотрудничеству, которое включало проектирование материалов, синтез, характеристику электронной и магнитной спектроскопии и теорию», — сказал Го.
Предоставлено Университетом Райса.
published in Nature Communications. It focuses the chromium-based kagome metal CsCr₃Sb₅, which becomes superconducting under pressure.”,”Kagome metals, characterized by their two-dimensional lattices of corner-sharing triangles, have recently been predicted to host compact molecular orbitals, or standing-wave patterns of electrons that could potentially facilitate unconventional superconductivity and novel magnetic orders that can be made active by electron correlation effects. In most materials, these flat bands remain too far from active energy levels to have any significant impact; however, in CsCr₃Sb₅, they are actively involved and directly influence the material’s properties.”,”\”Our results confirm a surprising theoretical prediction and establish a pathway for engineering exotic superconductivity through chemical and structural control,\” said Dai, the Sam and Helen Worden Professor of Physics and Astronomy.”,”The finding provides experimental proof for ideas that had only existed in theoretical models. It also shows how the intricate geometry of kagome lattices can be used as a design tool for controlling the behavior of electrons in solids.”,”\”By identifying active flat bands, we’ve demonstrated a direct connection between lattice geometry and emergent quantum states,\” said Yi, an associate professor of physics and astronomy.”,”The research team employed two advanced synchrotron techniques alongside theoretical modeling to investigate the presence of active standing-wave electron modes. They used angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) to map electrons emitted under synchrotron light, revealing distinct signatures associated with compact molecular orbitals. Resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) measured magnetic excitations linked to these electronic modes.”,”\”The ARPES and RIXS results of our collaborative team give a consistent picture that flat bands here are not passive spectators but active participants in shaping the magnetic and electronic landscape,\” said Si, the Harry C. and Olga K. Wiess Professor of Physics and Astronomy, \”This is amazing to see given that, until now, we were only able to see such features in abstract theoretical models.\””,”Theoretical support was provided by analyzing the effect of strong correlations starting from a custom-built electronic lattice model, which replicated the observed features and guided the interpretation of results. Fang Xie, a Rice Academy Junior Fellow and co-first author, led that portion of the study.”,”Obtaining such precise data required unusually large and pure crystals of CsCr₃Sb₅, synthesized using a refined method that produced samples 100 times larger than previous efforts, said Zehao Wang, a Rice graduate student and co-first author.”,”The work underscores the potential of interdisciplinary research across fields of study, said Yucheng Guo, a Rice graduate student and co-first author who led the ARPES work.”,”\”This work was possible due to the collaboration that consisted of materials design, synthesis, electron and magnetic spectroscopy characterization and theory,\” Guo said.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tRice University\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник