Wissenschaftler der Rice University und ihrer internationalen Partner haben direkte Beweise für aktive Flachband-Elektronen im Kagome-Supraleiter CsCr3Sb5 gefunden. Diese Entdeckung, die am 14. August 2025 in Nature Communications veröffentlicht wurde, könnte den Weg für neuartige Designs von Quantenmaterialien ebnen, darunter Supraleiter, topologische Isolatoren und spinbasierte Elektronik, die zukünftige Elektronik und Computertechnologien antreiben könnten.
Die Forschung konzentriert sich auf das chrombasierte Kagome-Metall CsCr3Sb5, das unter Druck supraleitend wird. Kagome-Metalle, die sich durch ihre zweidimensionalen Gitter aus Eck-dreiecken auszeichnen, wurden kürzlich so vorhergesagt, dass sie kompakte Molekülorbitale oder stehende Elektronenwellenmuster beherbergen. Diese Muster könnten unkonventionelle Supraleitung und neuartige magnetische Ordnungen ermöglichen, die durch Elektron-Korrelationseffekte aktiviert werden. Während diese Flachbänder in den meisten Materialien zu weit von den aktiven Energieniveaus entfernt sind, um einen signifikanten Einfluss zu haben, sind sie in CsCr3Sb5 aktiv beteiligt und beeinflussen die Eigenschaften des Materials direkt.
Das Forschungsteam nutzte fortschrittliche Synchrotrontechniken, nämlich die winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) und die resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS), um die Anwesenheit aktiver stehender Elektronenwellenmoden zu untersuchen. ARPES kartierte die emittierten Elektronen und enthüllte charakteristische Signaturen, die mit kompakten Molekülorbitalen verbunden sind, während RIXS magnetische Anregungen maß, die mit diesen elektronischen Moden verknüpft sind. Diese kombinierten ARPES- und RIXS-Ergebnisse liefern ein konsistentes Bild, das zeigt, dass die Flachbänder keine passiven Beobachter sind, sondern aktiv die magnetische und elektronische Landschaft des Materials mitgestalten.
Theoretische Unterstützung wurde durch die Analyse der starken Korrelationen aus einem speziell entwickelten elektronischen Gittermodell bereitgestellt, das die beobachteten Merkmale replizierte und die Interpretation der Ergebnisse leitete. Die Gewinnung solch präziser Daten erforderte ungewöhnlich große und reine Kristalle von CsCr3Sb5, die mittels einer verfeinerten Methode synthetisiert wurden und Proben lieferten, die 100-mal größer waren als frühere Bemühungen. Die Studie wurde von Pengcheng Dai, Ming Yi und Qimiao Si von der Rice University sowie von Di-Jing Huang vom National Synchrotron Radiation Research Center in Taiwan geleitet.
Diese Entdeckung liefert experimentelle Beweise für Ideen, die bisher nur in theoretischen Modellen existierten. Sie zeigt, wie die komplizierte Geometrie von Kagome-Gittern als Entwurfswerkzeug zur Steuerung des Verhaltens von Elektronen in Festkörpern dienen kann. Durch die Identifizierung aktiver Flachbänder hat das Team eine direkte Verbindung zwischen Gittergeometrie und emergenten Quantenzuständen demonstriert und neue Wege für die Entwicklung exotischer Supraleitung durch chemische und strukturelle Kontrolle eröffnet. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die starke Korrelation von Cr 3d-Elektronen, verstärkt durch Hund's-Kopplung, eine entscheidende Rolle für die neuartigen Eigenschaften von CsCr3Sb5 spielt, im Vergleich zu seinen nicht-magnetischen und schwach korrelierten Gegenstücken wie AV3Sb5.