Ricercatori della Rice University e di altre istituzioni hanno fornito la prova diretta dell'esistenza di bande elettroniche attive nel superconduttore kagome CsCr3Sb5. Questa scoperta pionieristica apre nuove prospettive per la progettazione di materiali quantistici avanzati, inclusi superconduttori, isolanti topologici ed elettronica basata sullo spin, che potrebbero alimentare le tecnologie elettroniche e informatiche del futuro.
La ricerca si concentra sul metallo kagome a base di cromo, CsCr3Sb5, che manifesta proprietà superconduttive sotto pressione. I metalli Kagome, caratterizzati dalle loro reticoli bidimensionali di triangoli che condividono vertici, sono stati teorizzati per ospitare orbitali molecolari compatti, ovvero schemi di onde stazionarie di elettroni. Questi schemi hanno il potenziale per facilitare la superconduttività non convenzionale e nuovi ordini magnetici guidati dagli effetti di correlazione elettronica. A differenza della maggior parte dei materiali, dove queste bande piatte rimangono troppo distanti dai livelli energetici attivi per avere un impatto significativo, nel CsCr3Sb5 esse sono attivamente coinvolte e influenzano direttamente le proprietà del materiale.
Il team di ricerca ha impiegato due tecniche avanzate di sincrotrone, insieme a modelli teorici, per indagare la presenza di modalità elettroniche attive a onda stazionaria. Hanno utilizzato la spettroscopia fotoelettronica risolta in angolo (ARPES) per mappare gli elettroni emessi sotto luce di sincrotrone, rivelando firme distinte associate agli orbitali molecolari compatti. La spettroscopia di raggi X inelastici risonanti (RIXS) ha misurato le eccitazioni magnetiche legate a queste modalità elettroniche. Il supporto teorico è stato fornito dall'analisi dell'effetto delle forti correlazioni a partire da un modello di reticolo elettronico personalizzato, che ha replicato le caratteristiche osservate e guidato l'interpretazione dei risultati.
L'ottenimento di dati così precisi ha richiesto cristalli insolitamente grandi e puri di CsCr3Sb5, sintetizzati utilizzando un metodo raffinato che ha prodotto campioni 100 volte più grandi rispetto agli sforzi precedenti. Pengcheng Dai, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia della Rice University, ha sottolineato: "I nostri risultati confermano una sorprendente previsione teorica e stabiliscono un percorso per l'ingegnerizzazione della superconduttività esotica attraverso il controllo chimico e strutturale." Questa scoperta fornisce prove sperimentali per idee che erano precedentemente confinate a modelli teorici, dimostrando come la complessa geometria dei reticoli kagome possa essere utilizzata come strumento di progettazione per controllare il comportamento degli elettroni nei solidi.
Identificando le bande piatte attive, il team ha dimostrato una connessione diretta tra la geometria del reticolo e gli stati quantistici emergenti, aprendo nuove strade per l'ingegneria di superconduttività esotiche attraverso il controllo chimico e strutturale. La ricerca, guidata da Pengcheng Dai, Ming Yi e Qimiao Si della Rice University, insieme a Di-Jing Huang del National Synchrotron Radiation Research Center di Taiwan, evidenzia il potenziale della ricerca interdisciplinare. Questo lavoro sottolinea come la collaborazione tra progettazione di materiali, sintesi, caratterizzazione spettroscopica elettronica e magnetica e teoria sia fondamentale per far progredire la scienza dei materiali quantistici.
La capacità di manipolare il comportamento degli elettroni attraverso la geometria del reticolo apre scenari entusiasmanti per lo sviluppo di tecnologie future, come computer quantistici più potenti e sistemi di trasmissione di energia più efficienti.