Forskare har upptäckt ett komplext landskap av elektroniska tillstånd som kan samexistera på ett kagomegitter, liknar de i högtemperatursupraledare, ett team av fysiker från Boston College rapporterar i en elektronisk tidning i förväg Natur .

Fokus för studien var en bulk enkristall av en topologisk kagomemetall, känd som CsV ₃ Sb ₅ —en metall som blir supraledande under 2,5 grader Kelvin, eller minus 455 grader Fahrenheit. Det exotiska materialet är byggt av atomplan som består av vanadinatomer arrangerade på ett så kallat kagomegitter – beskrivet som ett mönster av sammanflätade trianglar och hexagoner – staplade ovanpå varandra, med cesium och antimon distansskikt mellan kagomeplanen.

Materialet erbjuder ett fönster till hur de fysikaliska egenskaperna hos kvantfasta ämnen - såsom ljustransmission, elektrisk ledning, eller svar på ett magnetiskt fält - relaterar till den underliggande geometrin hos atomgitterstrukturen. Eftersom dess geometri orsakar destruktiv interferens och "frustrerar" den kinetiska rörelsen av korsande elektroner, kagome gittermaterial är prisade för att erbjuda den unika och bördiga grunden för studier av kvantelektroniska tillstånd som beskrivs som frustrerade, korrelerade och topologiska.

Majoriteten av experimentella ansträngningar hittills har fokuserat på kagomemagneter. Materialet som teamet undersökte är inte magnetiskt, vilket öppnar dörren för att undersöka hur elektroner i kagomesystem beter sig i frånvaro av magnetism. Den elektroniska strukturen hos dessa kristaller kan klassificeras som "topologiska", medan hög elektrisk ledningsförmåga gör den till en "metall".

"Denna topologiska metall blir supraledande vid låg temperatur, vilket är en mycket sällsynt förekomst av supraledning i ett kagomematerial, " sa Boston College docent i fysik Ilija Zeljkovic, en ledande medförfattare till rapporten, med titeln "Kaskad av korrelerade elektrontillstånd i en kagome supraledare CsV ₃ Sb ₅ . "

I en metall, elektroner i kristallen bildar ett flytande tillstånd. Elektrisk ledning sker när den laddade vätskan strömmar under en förspänning. Teamet använde skanningstunnelspektroskopi för att undersöka kvantinterferenseffekterna av elektronvätskan, sa Zeljkovic, som utförde forskningen tillsammans med Boston College-kollegor, professor i fysik, Ziqiang Wang, doktorand Hong Li, och He Zhao, som tog sin doktorsexamen i fysik vid BC 2020, samt kollegor från University of California, Santa Barbara.

Experimenten avslöjade en "kaskad" av symmetribrutna faser av elektronvätskan som drivs av korrelationen mellan elektronerna i materialet, laget rapporterade.

inträffade i följd när temperaturen på materialet sänktes, krusningar, eller stående vågor, dyker först upp i elektronvätskan, känd som laddningstäthetsvågor, med periodicitet som skiljer sig från det underliggande atomgittret. Vid lägre temperatur, en ny stående vågkomponent bildas bara längs en riktning av kristallaxlarna, så att elektrisk ledning längs denna riktning är annorlunda än i någon annan riktning.

Dessa faser utvecklas i det normala tillståndet - eller det icke-supraledande metalliska tillståndet - och kvarstår under den supraledande övergången, sa Wang. Experimenten visar att supraledning i CsV ₃ Sb ₅ framgår av, och samexisterar med, ett korrelerat kvantelektroniskt tillstånd som bryter rumssymmetrier hos kristallen.

Fynden kan ha starka konsekvenser för hur elektronerna bildar "Cooper"-par och förvandlas till en laddad supervätska vid en ännu lägre temperatur, eller en supraledare kapabel till elektrisk ledning utan motstånd. I denna familj av kagome supraledare, annan forskning har redan föreslagit möjligheten till okonventionell elektronparning, sa Zeljkovic.

Forskare inom området har noterat ett fenomen som kallas tidsomkastningssymmetribrott i CsV ₃ Sb ₅ . Denna symmetriregel – som säger att åtgärder skulle utföras omvänt om tiden skulle springa baklänges – är vanligtvis bruten i magnetiska material, men kagomemetallen visar inga väsentliga magnetiska moment. Zeljkovic sa att nästa steg i den här forskningen är att förstå denna uppenbara motsägelse och hur de elektroniska tillstånden som avslöjats i det här senaste arbetet är relaterade till tidsomkastande symmetribrott.

Nivån av betydelse och forskning om dessa nyligen upptäckta kagomegitter supraledare återspeglas i en associerad Natur artikel publicerad i samma elektroniska förhandsutgåva. Även medförfattare av BC:s Ziqiang Wang, pappret, med titeln "Rotonpar densitetsvåg i en starkkopplande kagome supraledare, " rapporterar observationen av nya stående vågor som bildas av Cooper parar med ytterligare en periodicitet i samma kagome supraledare, CsV ₃ Sb ₅ .

"Publiceringen av dessa två rapporter sida vid sida avslöjar inte bara nya och breda insikter om kagome gitter supraledare, men signalerar också det höga intresset och spänningen kring dessa material och deras unika egenskaper och fenomen, som forskare vid Boston College och institutioner runt om i världen upptäcker med ökande frekvens, " sa Wang.