Så kallade kagome-metaller, uppkallade efter det japanska vävda bambumönster som deras struktur liknar, har symmetriska mönster av sammanflätade, hörndelningstrianglar. Denna ovanliga gittergeometri och dess inneboende egenskaper leder i sin tur till märkliga kvantfenomen som okonventionell eller högtemperatursupraledning.

Potentialen för enheter som kan transportera elektricitet utan förlust vid rumstemperatur – såväl som en törst efter grundläggande teoretisk förståelse – har fått forskare att undersöka denna nya klass av kvantmaterial och försöka ta reda på hur elektroner interagerar med kagomegittret för att generera sådana anmärkningsvärda egenskaper.

En nyligen upptäckt klass av AV₃ Sb₅ kagomemetaller, där A kan vara =K, Rb eller Cs, visades till exempel ha bulksupraledning i enkristaller vid ett maximalt Tc av 2,5 K vid omgivningstryck. Forskare misstänker att detta är ett fall av okonventionell supraledning, driven av någon annan mekanism än fononutbytet som kännetecknar bindning i de elektron-fononkopplade supraledande elektronparen av konventionell supraledning.

Detta, liksom andra exotiska egenskaper som observerats i metallen, tros vara kopplade till dess multipla "Van Hove singulariteter" (VHS) nära Fermi-nivån. VHS, associerade med tillståndstätheten (DOS), eller uppsättning av olika tillstånd som elektroner kan uppta vid en viss energinivå, kan förstärka korrelationseffekter när ett material är nära eller når denna energinivå. Om Fermi-nivån ligger i närheten av en Van Hove-punkt, bestämmer singular DOS det fysiska beteendet på grund av det stora antalet tillgängliga lågenergitillstånd. I synnerhet förstärks interaktionseffekterna inte bara i partikel-partikeln, utan också i partikel-hålskanalerna, vilket leder till föreställningen om konkurrerande order.

Eftersom dessa VHS:er förstärker korrelationseffekterna är det ytterst viktigt att fastställa deras natur och egenskaper. Detta är vad som fick forskare under ledning av NCCR MARVEL-forskaren professor Ming Shi, senior forskare vid Photon Science Division vid Paul Scherrer Institute, att undersöka metallen ytterligare. Uppsatsen "Rich Nature of Van Hove Singularities in Kagome Superconductor CsV₃ Sb₅ ", nyligen publicerad i Nature Communications , rapporterar om sina resultat.

VHS kan klassificeras i två typer, konventionella och högre ordningen, och var och en är förknippad med distinkta egenskaper:konventionella van Hove singulariteter involverar en logaritmisk singularitet men högre ordningens VHS visar en effektlagsdivergerande DOS. Dessutom har VHS i kagome-gitter distinkta egenskaper i subgitteret som leder till en minskning av de lokala elektrostatiska interaktionerna mellan elektriska laddningar, vilket effektivt förstärker rollen av icke-lokala effekter.

För att undersöka fenomenen kombinerade forskarna det experimentella tillvägagångssättet polarisationsberoende vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES) med det teoretiska tillvägagångssättet för densitetsfunktionella teorin för att direkt avslöja subgitteregenskaperna hos VHS i metallen.

De identifierade fyra VHS, varav tre är nära Fermi-nivån. En av dem, strax under Fermi-nivån, visar en extremt platt spridning, vilket etablerar den experimentella upptäckten av högre ordningens VHS, sa forskarna. Detta och andra egenskaper är generaliserade till AV3Sb5-familjen av kagomemetaller och har ett brett spektrum av viktiga fysiska implikationer, som beskrivs i uppsatsen.

Sammantaget kan uppkomsten av flera typer av VHS nära Fermi-nivån, härledd från multi-orbital natur, inducera en rik konkurrens för olika parningsinstabiliteter och därför generera många olika ordningar beroende på små förändringar i elektronfyllningen. Detta innebär att forskare kan komma åt och till och med trimma beställningarna i dessa metaller genom bärardopning eller externt tryck. Båda tillvägagångssätten bör undersökas ytterligare genom experiment och teori, sa forskarna. + Utforska vidare

Forskare avslöjar elektronisk karaktär av laddningstäthetsvåg och elektron-fononkoppling i Kagome supraledare