Исследователи из Университета Райса и их партнеры обнаружили прямые доказательства существования активных плоских электронных полос в кагоме-сверхпроводнике CsCr3Sb5. Это открытие может проложить путь к новым методам проектирования квантовых материалов, включая сверхпроводники, топологические изоляторы и спин-электронные устройства, которые могут стать основой будущей электроники и вычислительных технологий.
В центре внимания исследования находится кагометалл CsCr3Sb5 на основе хрома, который проявляет сверхпроводящие свойства под давлением. Кагометаллы, характеризующиеся двумерными решетками из треугольников с общими вершинами, как было предсказано, могут содержать компактные молекулярные орбитали — стоячие волны электронов. Эти структуры потенциально могут способствовать нетрадиционной сверхпроводимости и новым магнитным порядкам, активируемым эффектами электронной корреляции. В отличие от большинства материалов, где плоские полосы находятся слишком далеко от активных энергетических уровней, чтобы оказать значительное влияние, в CsCr3Sb5 они активно участвуют и напрямую влияют на свойства материала.
Для изучения активных электронных мод стоячих волн команда использовала две передовые синхротронные техники в сочетании с теоретическим моделированием. С помощью дифференциальной фотоэлектронной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) были картированы электроны, испускаемые под синхротронным излучением, что выявило четкие сигнатуры, связанные с компактными молекулярными орбиталями. Резонансная неупругая рентгеновская спектроскопия (RIXS) измерила магнитные возбуждения, связанные с этими электронными модами. Теоретическая поддержка была обеспечена анализом влияния сильных корреляций, исходя из специально разработанной модели электронной решетки, которая воспроизвела наблюдаемые особенности и помогла интерпретировать результаты.
Получение таких точных данных потребовало необычно больших и чистых кристаллов CsCr3Sb5, синтезированных с использованием усовершенствованного метода, который позволил получить образцы в 100 раз крупнее предыдущих. Это исследование подтверждает теоретические предсказания и открывает путь к созданию экзотических сверхпроводящих состояний посредством химического и структурного контроля. Открытие предоставляет экспериментальное подтверждение идей, которые ранее существовали только в теоретических моделях, и демонстрирует, как сложная геометрия кагоме-решеток может быть использована в качестве инструмента проектирования для управления поведением электронов в твердых телах.
Выявление активных плоских полос установило прямую связь между геометрией решетки и возникающими квантовыми состояниями, открывая новые пути для инженерии экзотической сверхпроводимости через химический и структурный контроль. Исследование подчеркивает потенциал междисциплинарных исследований, охватывающих проектирование материалов, синтез, характеристику электронных и магнитных спектров, а также теорию. Работа была руководима Пэнчэном Даем, Мин И и Цимяо Си из Департамента физики и астрономии Университета Райса, а также Ди-Цзин Хуангом из Национального центра синхротронных исследований Тайваня. Открытие подтверждает, что плоские полосы в CsCr3Sb5 являются не пассивными наблюдателями, а активными участниками, формирующими магнитный и электронный ландшафт материала, что является значительным шагом вперед по сравнению с предыдущими теоретическими моделями.