Ett internationellt team ledd av forskare vid Princeton University har upptäckt ett nytt mönster för ordning av elektrisk laddning i ett nytt supraledande material.

Forskarna upptäckte den nya typen av ordning i ett material som innehåller atomer arrangerade i en märklig struktur som kallas ett kagomegitter. Medan forskare redan förstår hur elektronens spinn kan producera magnetism, dessa nya resultat ger insikter i den grundläggande förståelsen av en annan typ av kvantordning, nämligen, orbital magnetism, som tar upp om laddningen spontant kan flöda i en slinga och producera magnetism som domineras av förlängd orbital rörelse av elektroner i ett gitter av atomer. Sådana omloppsströmmar kan producera ovanliga kvanteffekter såsom anomala Hall-effekter och vara en föregångare till okonventionell supraledning vid relativt höga temperaturer. Studien publicerades i tidskriften Naturmaterial .

"Upptäckten av en ny laddningsordning i en kagome-supraledare med topologisk bandstruktur som också är avstämbar via ett magnetfält är ett stort steg framåt som kan låsa upp nya horisonter när det gäller att kontrollera och utnyttja kvanttopologi och supraledning för framtida fundamental fysik och nästa- generation enhet forskning, sade M. Zahid Hasan, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton University, som ledde forskargruppen.

Upptäcktens rötter ligger i två grundläggande upptäckter på 1980-talet. Den ena är kvanthalleffekten – en topologisk effekt som har varit föremål för årtionden lång forskning. Hall -effekten var det första exemplet på hur en gren av teoretisk matematik, kallas topologi, skulle i grunden kunna förändra hur man beskriver och klassificerar den materia som utgör världen. Viktiga teoretiska koncept om den kvantiserade Hall-effekten lades fram 1988 av F. Duncan Haldane, Thomas D. Jones professor i matematisk fysik och Sherman Fairchild University professor i fysik, som 2016 belönades med Nobelpriset.

Det andra prejudikatet var upptäckten av den okonventionella högtemperatursupraledaren som var föremål för Nobelpriset 1987. Det ovanliga tillståndet för dessa supraledare har förbryllat forskare. Viktiga teoretiska koncept om slingströmmar som en föregångare till okonventionell supraledning lades fram i slutet av 1990-talet av flera teoretiker. I båda fallen, nyckelförslaget är att laddningen kan flöda i ett speciellt gitter för att producera effekter som orbitalmagnetism. Dock, direkt experimentell realisering av en sådan mycket spekulativ typ av elektronisk kvantladdningsordning är extremt utmanande.

"Förverkligandet av laddningsordning av orbitalströmstyp skulle kräva att materialen har både starka interaktioner och speciella gittergeometrier som har realiserats bara de senaste åren, sa Hasan.

Genom flera års intensiv forskning om flera geometriska gittersystem ( Natur 562, 91 (2018); Nature Phys 15, 443 (2019), Phys. Rev. Lett . 123, 196604 (2019), Nature Commun . 11, 559 (2020), Phys. Rev. Lett . 125, 046401 (2020), Natur 583, 533 (2020), Naturrecensioner Fysik 3, 249 (2021), teamet insåg gradvis att kagome-supraledare kan vara värd för en sådan laddningsordning av topologisk typ. Dussintals supraledare med kagomegitter har upptäckts under de senaste 40 åren men ingen visade det önskade mönstret. En anmärkningsvärd kagome supraledare är AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs), vilka tidiga experiment har visat innehålla antydningar om en dold ordning runt 80 grader Kelvin, vilket gör det till en trolig plattform för att leta efter avgiftsorder av topologisk typ.

"Supraledning antyder ofta instabilitet för laddningen av systemet, och kagomegittret är känt för att vara ett frustrerat gittersystem, " Sa Hasan. "Kagomes supraledare kan bilda olika exotiska laddningsorder, inklusive den topologiska typen av beställning relaterad till deras globala bandstruktur. Det ledde oss till vårt sökande i den här familjen, även om det inte var klart om denna supraledning var okonventionell när vi började arbeta med det här materialet."

Princeton-teamet av forskare använde en avancerad teknik som kallas subatomic-resolution scanning tunneling microscopy, som är kapabel att sondera materialets elektroniska och spinnvågsfunktioner på subatomär skala med sub-millivolt energiupplösning vid sub-Kelvin-temperaturer. Under dessa finjusterade förhållanden, forskarna upptäckte en ny typ av laddningsordning som uppvisar kiralitet – det vill säga, orientering i en viss riktning—i AV3Sb5.

"Den första överraskningen var att materialets atomer ordnar om sig själva till en högre ordning (supergitter) gitterstruktur som inte förväntades finnas där i våra data, sa Yuxiao Jiang, en doktorand vid Princeton och en av de första medförfattarna till tidningen. "Ett sådant supergitter har aldrig setts i något annat kagomesystem som vi känner till."

Supergittret var det första tipset till forskarna om att det kunde finnas något okonventionellt i detta material. Forskarna ökade ytterligare temperaturen på materialet för att finna att supergittret försvann över den kritiska temperaturen för den dolda fasen uppskattad från det elektriska transportbeteendet för huvuddelen av materialet.

"Denna konsistens ger oss förtroendet att det vi observerade är mer sannolikt att vara ett bulkbeställningsfenomen snarare än en yteffekt, " sa Jia-Xin Yin, en associerad forskare och en annan förste författare till studien.

Hasan tillade, "För en bulkbeställning, vi måste undersöka vidare om det finns ett energigap och om laddningsfördelningen i det verkliga rummet visar någon vändning över energiklyftan. "

Forskarna kontrollerade snart båda punkterna för att bekräfta igen att den oväntade laddningsordningen visar en slående laddningsomkastning över energigapet, som också försvinner vid samma kritiska temperatur. De ackumulerade experimentella bevisen visade att forskarna observerade en laddningsorder i ett kagome-material, som aldrig har rapporterats i något annat kagome -system.

"Nu är vi i en position att ställa den större frågan:om det kan vara en topologisk laddningsordning?" sa Hasan.

Yin lade till, "Lyckligtvis, genom vår systematiska forskning om geometriska gittersystem under de senaste åren, vi har utvecklat en vektormagnetisk fältbaserad skanningstunnelmikroskopimetodologi för att utforska eventuella topologiska egenskaper hos materialet."

I grunden det magnetiska fältet som appliceras på ett elektroniskt system leder till en icke-trivial topologi:det magnetiska flödeskvantum (h/e) och quantum Hall-konduktans (Ne2/h, relaterat till Chern nummer N, en topologisk invariant) styrs av samma uppsättning grundläggande konstanter, inklusive Plancks konstant h och elementarladdning e; fältets vektornatur kan differentiellt interagera med kirologin av topologisk materia för att ge tillgång till effekter relaterade till den topologiska invarianten.

Forskarna utförde experiment på laddningsordningen vid noll magnetfält, ett positivt magnetfält, och ett negativt magnetfält. "Innan uppgifterna togs, vi visste verkligen inte vad som skulle hända, Sa Hasan.

När experimenten väl var klara, Jiang sa, svaret på frågan om topologisk liknande avgiftsorder var "ja".

"Vi fann att laddningsordern faktiskt uppvisar en detekterbar chiralitet, som kan kopplas om av magnetfältet, sa Jiang.

Forskarna är glada över deras första upptäckt. "Innan kravet kunde göras, vi behövde fortfarande reproducera detta resultat flera gånger, för att utesluta effekter från skanningssonden, som kan vara yttre till sin natur, " sa Yin.

Forskarna tillbringade vidare flera månader för att finna att denna magnetfältsomkopplande chirala laddningsordning är allestädes närvarande i KV3Sb5, RbV3Sb5 och CsV3Sb5. "Nu är vi övertygade om att det är en inneboende egenskap hos denna klass av material, Hasan tillade, "Och det är väldigt spännande!"

Magnetfältet bryter uttryckligen tidsomkastningssymmetri. Därför, deras observation visar att den kirala laddningsordningen i kagomegittret bryter tidsomkastningssymmetri. Detta är något analogt med Haldane-modellen i honeycomb-gittret eller Chandra Varma-modellen i CuO2-gittret.

Forskare identifierade vidare den direkta topologiska konsekvensen av en sådan kiral laddningsordning. Med hjälp av första principberäkningar av bandstrukturen, teamet fann att denna kirala laddningsordning kommer att producera en stor anomal Hall-effekt med orbital magnetism, vilket stämmer överens med det befintliga transportresultatet som tolkats annorlunda i ett tidigare arbete.

Nu förflyttas gruppens teoretiska och experimentella fokus till de dussintals föreningar med kagomegaller plattbandegenskaper och även supraledning. "Det här är som att upptäcka vatten i en exoplanet - det öppnar en ny gräns för topologisk kvantmateriaforskning som vårt laboratorium i Princeton har optimerats för, Sa Hasan.