Исследователи из Университета Райса и сотрудничающих институтов обнаружили прямые доказательства активности плоских электронных зон в кагоме-сверхпроводнике. Это открытие может проложить путь для новых методов создания квантовых материалов, включая сверхпроводники, топологические изоляторы и спин-зависимую электронику, которые могут стать основой будущих электронных и вычислительных технологий.
Исследование
Исследование под руководством Пэнчэн Дая, Минь И и Цимяо Си из Департамента физики и астрономии Университета Райса и Института Смолли-Керла, совместно с Ди-Цзин Хуангом из Национального центра исследований синхротронного излучения Тайваня, было опубликовано в Nature Communications. В нём рассматривается хромсодержащий кагоме-металл CsCr₃Sb₅, который становится сверхпроводящим под давлением.
Кагоме-металлы
Кагоме-металлы характеризуются двумерными решётками из треугольников с общими углами. Недавно было предсказано, что в них могут присутствовать компактные молекулярные орбитали — стоячие волновые паттерны электронов, которые потенциально могут способствовать нетрадиционной сверхпроводимости и новым магнитным порядкам, активируемым эффектами корреляции электронов. В большинстве материалов эти плоские зоны находятся слишком далеко от активных энергетических уровней, чтобы оказывать значительное 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.
Экспериментальное подтверждение
Это открытие предоставляет экспериментальное подтверждение идеям, которые существовали только в теоретических моделях. Оно также показывает, как сложная геометрия кагоме-решёток 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.
Методы исследования
Исследовательская группа использовала два передовых метода синхротронных исследований наряду с теоретическим моделированием для изучения наличия активных стоячих электронных мод. Они использовали angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) для картирования электронов, испускаемых под действием синхротронного света, что позволило выявить отчётливые сигнатуры, связанные с компактными молекулярными орбиталями. Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) измерило магнитные возбуждения, связанные с этими электронными модами.
«Результаты ARPES и RIXS нашей совместной команды 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.
Получение данных
Для получения таких точных данных потребовались необычайно большие и чистые кристаллы CsCr₃Sb₅, синтезированные с использованием усовершенствованного метода, который позволил получить образцы в 100 раз больше, чем в предыдущих исследованиях, сказал Чзехао 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.