Att spela ett annat soundtrack är fysiskt sett bara en minuts förändring av vibrationsspektrumet, men dess inverkan på ett dansgolv är dramatisk. Människor längtar efter denna lilla trigger, och när en salsa ändras till en tango uppstår helt andra kollektiva mönster.
Elektroner i metaller tenderar att endast visa ett beteende vid noll temperatur, när all kinetisk energi är släckt. Man måste frustrera den elektroniska interaktionen för att bryta dominansen av en viss elektronisk ordning och tillåta flera möjliga konfigurationer. Nyligen publicerade resultat i Nature Physics på kagome-nät tyder på att detta triangulära gitter är ganska effektivt för att göra det.
Ett tvådimensionellt (2D) kagomegitter är uppkallat efter det japanska bambu-korgvävda mönstret som är konstruerat av en serie hörndelningstrianglar. När varje hörn är upptaget av magnetiska moment med antiferromagnetiska korrelationer, gynnar de närmaste granninteraktionerna antijusterade snurr.
Systemet är därför geometriskt frustrerat för att nå ett magnetiskt ordnat tillstånd, normalt kallat magnetisk frustration. I slutet av 1980-talet visades det att det antiferromagnetiska kagomegittret kan vara det mest frustrerade 2D-magnetiska systemet som man kan konstruera.
En speciell grupp kagome-supraledare har nyligen väckt intensiv vetenskaplig debatt, med en rad studier som avslöjar till synes motsägelsefulla egenskaper hos dessa material.
Nu har ett internationellt forskarlag under ledning av forskare vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) i Tyskland lyckats undersöka en medlem av denna grupp av kagomematerial utan yttre störningar – ett avgörande steg för att förstå dess inneboende elektroniskt marktillstånd.
När 2D-kagomenät kombineras till 3D-metaller blir dessa så kallade kagomemetaller en rik testbädd för att utforska samspelet mellan icke-triviala topologiska excitationer och starka elektroniska korrelationer. Dessutom förhindrar den starka geometriska frustrationen de elektroniska orderna från att etableras eftersom flera möjliga grundtillstånd nästan är energiskt degenererade, vilket innebär att det finns två eller flera möjliga elektroniska jordtillstånd som nästan är energimässigt ekvivalenta.
Med systemets energiskala ytterligare normaliserad av de elektroniska korrelationerna, visar kagomemetaller ofta sammanflätad elektronisk ordning eftersom även försumbara störningar drastiskt modifierar deras fysiska egenskaper.
På grund av deras strukturella make-up och magnetiska frustrationer, reagerar egenskaperna hos kagome-material mycket starkt på även till synes mindre störningar. Denna extrema avstämningsförmåga har starkt exemplifierats av de senaste framstegen inom en grupp kagomesupraledare, AV3 Sb5 . Dessa material visar elektroniska beställningar vid cirka 100 Kelvin Celsius och ett supraledande marktillstånd med en kritisk temperatur på ~ 3 K.
Utöver detta har en imponerande uppsättning experiment visat att "något annat" händer i detta material, ofta förknippat med en starttemperatur på T'~ 30 K. Forskare försöker förstå naturen av dessa förändringar och varför de inträffar. Hittills har forskningsresultaten varit öppet motsägelsefulla och hårt omdebatterade.
I sitt nyligen publicerade arbete har forskarna visat att detta, vid första anblicken, motsägelsefulla tillstånd i litteraturen är en egenskap, inte en bugg. Det är en direkt följd av det okonventionella grundtillståndet för AV3 Sb5 , som innehåller flera sammanflätade elektroniska beställningar. Därför kan externa störningar som töjning eller magnetfält driva systemet ut ur dess inneboende grundtillstånd, vilket leder till kontroversiella experimentella observationer.
För att identifiera det inneboende elektroniska marktillståndet utan störningar, utvecklade de ett nytt töjningsfritt tillvägagångssätt baserat på tekniken med fokuserad jonstråle för att isolera AV3 Sb5 från störningar såsom termisk differentiell töjning.
Dessa tekniska framsteg gjorde det möjligt för teamet att entydigt avslöja det inneboende elektroniska marktillståndet, såväl som dess drastiska svar på externa störningar i dessa kagome-supraledare. Deras arbete ger en sammanhållande bild av den kontroversiella laddningsordningen i kagomemetaller.
De lättmanipulerade elektroniska beställningarna i kagomemetaller framhäver behovet av materialkontroll i mikroskopisk skala för att identifiera framväxande symmetribrott i kvantmaterial. De pekar också på den spännande vägen mot framtida elektronik.
Eftersom de störningar som krävs för att ändra det elektroniska grundtillståndet är ytterst små, ger studien viktiga insikter för de långvariga förslagen av icke-triviala elektroniska applikationer baserade på elektroniska instabiliteter i kvantmaterial. Det är klart att elektroner lär sig att dansa till många låtar i kagome-strukturer.
Mer information: Chunyu Guo et al, Korrelerad ordning vid tipppunkten i kagomemetallen CsV3 Sb5 , Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02374-z
Tillhandahålls av Max Planck Society
