Wetenschappers van Rice University en internationale partners hebben direct bewijs geleverd voor actieve platte elektronische banden in de kagome-supergeleider CsCr3Sb5. Deze ontdekking, gepubliceerd op 14 augustus 2025 in Nature Communications, kan de weg vrijmaken voor nieuwe methoden om kwantummaterialen te ontwerpen, zoals supergeleiders, topologische isolatoren en spintronica, die de toekomstige elektronica en computertechnologieën kunnen aandrijven.
Het onderzoek richt zich op CsCr3Sb5, een chroom-gebaseerd kagome-metaal dat supergeleidend wordt onder druk. Kagome-metalen, gekenmerkt door hun tweedimensionale roosters van deeltjes die driehoeken delen, zouden compacte moleculaire orbitalen kunnen herbergen, oftewel staande golfpatronen van elektronen. Deze patronen kunnen onconventionele supergeleiding en nieuwe magnetische ordeningen faciliteren, aangedreven door electronen-correlatie-effecten. In tegenstelling tot de meeste materialen, waar platte banden te ver van actieve energieniveaus blijven om significante impact te hebben, zijn deze in CsCr3Sb5 actief betrokken en beïnvloeden ze direct de materiaaleigenschappen.
Het onderzoeksteam gebruikte geavanceerde synchrotrontechnieken, waaronder hoekafhankelijke foto-emissiespectroscopie (ARPES) en resonant inelastische röntgensverstrooiing (RIXS), in combinatie met theoretische modellering. ARPES onthulde duidelijke handtekeningen van compacte moleculaire orbitalen, terwijl RIXS magnetische excitatie gekoppeld aan deze elektronische modi mat. De resultaten tonen aan dat de platte banden actieve deelnemers zijn in het vormgeven van het magnetische en elektronische landschap van het materiaal.
Theoretische ondersteuning werd geboden door de analyse van sterke correlaties, beginnend met een speciaal gebouwd elektronisch rooster-model dat de waargenomen kenmerken repliceerde. De precisie van de data vereiste ongebruikelijk grote en zuivere kristallen van CsCr3Sb5, gesynthetiseerd met een verfijnde methode die monsters produceerde die 100 keer groter waren dan eerdere pogingen. Deze grote kristallen waren cruciaal voor het verkrijgen van de gedetailleerde metingen.
Deze ontdekking biedt experimenteel bewijs voor ideeën die voorheen alleen in theoretische modellen bestonden. Het toont aan hoe de ingewikkelde geometrie van kagome-roosters kan worden gebruikt als een ontwerptool voor het beheersen van het gedrag van elektronen in vaste stoffen. Door actieve platte banden te identificeren, hebben de onderzoekers een direct verband aangetoond tussen roostergeometrie en opkomende kwantumtoestanden, wat nieuwe wegen opent voor de engineering van exotische supergeleiding door chemische en structurele controle.