Des chercheurs de l'Université Rice, en collaboration avec des institutions internationales, ont confirmé l'existence de bandes électroniques plates actives au sein du supraconducteur CsCr3Sb5. Cette découverte significative pourrait révolutionner la conception de matériaux quantiques, tels que les supraconducteurs, les isolants topologiques et l'électronique de spin, qui sont essentiels pour les futures technologies électroniques et informatiques.
La recherche, publiée dans Nature Communications, se concentre sur le métal kagomé à base de chrome, CsCr3Sb5, qui présente des propriétés supraconductrices lorsqu'il est soumis à une pression. Les métaux kagomés, caractérisés par leurs réseaux bidimensionnels de triangles partageant des sommets, sont théoriquement connus pour abriter des orbitales moléculaires compactes. Ces structures, qui correspondent à des motifs d'ondes stationnaires d'électrons, sont susceptibles de favoriser des formes non conventionnelles de supraconductivité et des ordres magnétiques nouveaux, activés par les effets de corrélation électronique.
Contrairement à la plupart des matériaux où ces bandes plates restent inactives car trop éloignées des niveaux d'énergie pertinents, dans le CsCr3Sb5, elles participent activement et influencent directement les propriétés du matériau. Cette observation confirme des prédictions théoriques et établit une voie pour l'ingénierie de supraconductivité exotique par le contrôle chimique et structurel.
Pour sonder ces modes électroniques en ondes stationnaires, l'équipe a utilisé deux techniques synchrotron avancées: la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) et la diffusion inélastique de rayons X résonants (RIXS). L'ARPES a permis de cartographier les électrons émis sous lumière synchrotron, révélant des signatures distinctes associées aux orbitales moléculaires compactes, tandis que le RIXS a mesuré les excitations magnétiques liées à ces modes électroniques. Les résultats combinés des deux techniques fournissent une image cohérente de l'interaction entre la géométrie du réseau kagomé et les états quantiques émergents.
La synthèse de cristaux de CsCr3Sb5 exceptionnellement grands et purs a été cruciale pour obtenir des données d'une telle précision. Des méthodes de synthèse raffinées ont permis de produire des échantillons environ 100 fois plus grands que les tentatives précédentes. Cette collaboration interdisciplinaire, impliquant la conception de matériaux, la synthèse, la caractérisation spectroscopique électronique et magnétique, ainsi que la théorie, a été dirigée par Pengcheng Dai, Ming Yi et Qimiao Si de l'Université Rice, aux côtés de Di-Jing Huang du Centre National de Recherche Synchrotron de Taiwan.
Cette découverte apporte une preuve expérimentale à des idées qui n'existaient auparavant que dans des modèles théoriques, démontrant comment la géométrie complexe des réseaux kagomés peut être exploitée comme un outil de conception pour contrôler le comportement des électrons dans les solides. Ces travaux ouvrent de nouvelles perspectives pour l'ingénierie de supraconductivité exotique par le biais de contrôles chimiques et structurels, promettant des avancées significatives pour les technologies de l'information et de la communication de demain.