Le conducteur de supercade de réseau kagome révèle une « chaîne » d’états d’électrons quantiques

Les chercheurs ont découvert un paysage complexe d’états électroniques qui peuvent coexister sur un réseau de Kagome, similaire à ceux des supraconducteurs à haute température, rapporte une équipe de physiciens du Boston College dans une pré-publication en ligne. tempérer la nature.

L’étude s’est concentrée sur un seul cristal massif d’un minéral topologique de Kagome, connu sous le nom de CsV₃jurer₅—Un métal qui devient supraconducteur en dessous de 2,5 degrés Kelvin, ou moins 455 degrés Fahrenheit. Le matériau exotique est construit à partir de plans atomiques constitués d’atomes de vanadium disposés sur un réseau dit de Kagome – décrit comme un motif de triangles et d’hexagones qui se chevauchent – empilés les uns sur les autres, avec des couches d’espacement de césium et d’antimoine entre les plans Kagome.

Le matériau offre une fenêtre sur la façon dont les propriétés physiques des solides quantiques – telles que la transmission de la lumière, la conductivité électrique ou la réponse à champ magnétique– liés à la géométrie de base de la structure du réseau atomique. Parce que leurs géométries provoquent des interférences destructrices et « frustrent » la cinématique des électrons en transit, les matériaux du réseau kagome sont prisés car ils offrent un terrain unique et fertile pour l’étude des états électroniques quantiques décrits comme frustrants, cohérents et topologiques.

La majorité des efforts expérimentaux à ce jour se sont concentrés sur les aimants Kagome. Les matériaux examinés par l’équipe ne sont pas magnétiques, ce qui ouvre la porte à l’exploration du comportement des électrons dans les systèmes Kagome en l’absence de magnétisme. La structure électronique de ces cristaux peut être classée comme « topologique », tandis que conductivité électrique élevée Cela le rend « métal ».

« Une série d’états électroniques interconnectés dans le supraconducteur kagome CsV », a déclaré Ilija Zelikowicz, professeur adjoint de physique au Boston College et co-auteur principal du rapport.₃jurer₅. « 

Dans le métal, les électrons se forment dans le cristal A état liquide. La conduction électrique se produit lorsqu’un fluide chargé s’écoule sous une tension de polarisation. Zelikowicz, qui a mené la recherche avec ses collègues du Boston College, Zhiqiang Wang, et l’étudiant diplômé Hong Lei He Zhao, titulaire d’un doctorat en physique de l’Université de Boston, a déclaré que l’équipe avait utilisé la spectroscopie à effet tunnel pour explorer les effets de l’interférence quantique électron-liquide. . BC en 2020, ainsi que des collègues de l’Université de Californie, Santa Barbara.

Les expériences ont révélé une « chaîne » de phases de rupture de symétrie pour le fluide électronique entraînée par la corrélation entre les électrons dans le matériau, rapporte l’équipe.

Ils se produisent successivement au fur et à mesure que la température du matériau diminue, des ondulations ou ondes stationnaires apparaissent d’abord dans le fluide électronique, appelées ondes de densité de charge, avec une différence de périodicité par rapport au réseau atomique de base. A basse température, une nouvelle composante d’onde stationnaire se forme le long d’une seule direction des axes cristallins, de sorte que la conductivité électrique le long de cette direction est différente de toute autre direction.

Ces phases évoluent dans l’état normal – ou l’état métallique non supraconducteur – et persistent sans transition supraconductrice, a déclaré Wang. Des expériences montrent que la supraconductivité dans le CsV₃jurer₅ Il émerge et coexiste avec un état électronique quantique cohérent qui brise les symétries spatiales du cristal.

Ces découvertes pourraient avoir de puissantes implications sur la façon dont les électrons forment des paires de Cooper et se transforment en un superfluide chargé à une température plus basse, ou un supraconducteur capable de conductivité électrique sans résistance. Dans cette famille de supraconducteurs Kagome, a déclaré Zelikowicz, d’autres recherches ont déjà suggéré la possibilité d’un couplage électronique non conventionnel.

Des chercheurs dans le domaine ont observé un phénomène appelé rupture de symétrie d’inversion dans CsV₃jurer₅. Cette règle de symétrie – qui stipule que les actions seront effectuées à l’envers si le temps devait reculer – est généralement brisée dans les matériaux magnétiques, mais le minéral de Kagome ne présente pas de moments magnétiques significatifs. Les prochaines étapes de cette recherche, a déclaré Zelikowicz, consistent à comprendre cet écart apparent et comment les états électroniques révélés dans ce dernier travail se rapportent à temps réflexion symétrie est tombé en panne.

Le niveau d’importance et de recherche dans ces supraconducteurs réticulaires kagome nouvellement découverts se reflète dans un état lié tempérer la nature Article publié dans la même édition électronique avancée. Également co-écrit par Ziqiang Wang de la Colombie-Britannique, le document de recherche « Roton pair densité wave in the strong-coupled kagome supraconductor » rapporte l’observation de nouvelles ondes stationnaires formées par des paires de Cooper avec une autre périodicité en même temps. Kagome Supraconducteur, CsV₃jurer₅.

« La publication de ces deux rapports côte à côte révèle non seulement de nouvelles et vastes informations treillis kagome Les supraconducteurs, mais indiquent également le niveau élevé d’intérêt et d’excitation autour de ces matériaux et ainsi de suite Propriétés uniques et des phénomènes que les chercheurs du Boston College et des institutions du monde entier découvrent de plus en plus fréquemment. »