ライス大学の研究者とその協力機関は、カゴメ超伝導体CsCr3Sb5において活性なフラット電子バンドの直接的な証拠を発見しました。この進歩は、将来の電子機器やコンピューティング技術を支える可能性のある超伝導体、トポロジカル絶縁体、スピンエレクトロニクスなどの量子材料を設計するための新しい方法を開拓する可能性があります。
研究チームは、角運動量分解光電子分光法（ARPES）と共鳴非弾性X線散乱（RIXS）という2つの高度なシンクロトロン技術と理論モデリングを駆使して、活性な定常波電子モードの存在を調査しました。ARPESはシンクロトロン光照射下で放出される電子をマッピングし、コンパクトな分子軌道に関連する明確なシグネチャを明らかにしました。一方、RIXSはこれらの電子モードに関連する磁気励起を測定しました。
この研究は、2025年8月14日にNature Communicationsに掲載され、CsCr3Sb5のユニークな2次元カゴメ格子構造が、電子の振る舞いを制御する設計ツールとしてどのように利用できるかを示しています。通常、フラットバンドは電子の相互作用に大きな影響を与えないほどエネルギー準位から離れていますが、CsCr3Sb5ではこれらのバンドが積極的に関与し、材料の特性に直接影響を与えています。この発見は、理論モデルにしか存在しなかったアイデアに対する実験的証明を提供します。
この成果は、材料設計、合成、電子および磁気分光学的特性評価、理論を含む学際的な研究の可能性を強調しています。この研究を主導したのは、ライス大学物理・天文学科およびスモーリー・カール研究所のPengcheng Dai、Ming Yi、Qimiao Si、そして台湾の国立シンクロトロン放射線研究センターのDi-Jing Huangです。
特に注目すべきは、この研究のために、以前の数倍にあたる、通常よりも大きく純粋なCsCr3Sb5の結晶が入手されたことです。これは、より洗練された合成方法によって達成されました。この発見は、カゴメ格子幾何学と創発的な量子状態との間の直接的な関連性を示しており、化学的および構造的制御によるエキゾチックな超伝導の工学に新たな道を開きます。この研究は、量子材料の設計における幾何学の重要性を浮き彫りにし、将来のテクノロジーの基盤となる可能性を秘めています。