Науковці з Університету Райса та їхні колеги досягли значного прориву, отримавши прямі експериментальні докази існування активних пласких електронних смуг у кагоме-суперпровіднику CsCr3Sb5. Це відкриття має потенціал для розробки нових методів проєктування квантових матеріалів, таких як суперпровідники, топологічні ізолятори та пристрої спінтроніки, що може стати основою для майбутніх електронних та обчислювальних технологій.
Дослідження, опубліковане 14 серпня 2025 року в журналі Nature Communications, зосереджується на металі CsCr3Sb5 на основі хрому. Цей матеріал демонструє суперпровідність під тиском. Кагоме-метали, що характеризуються двовимірними ґратками трикутників, які спільно використовують вершини, за прогнозами, повинні містити компактні молекулярні орбіталі, або стоячі хвилі електронів. Ці патерни можуть сприяти нетрадиційній суперпровідності та новим магнітним порядкам, що активуються ефектами електронної кореляції. На відміну від більшості матеріалів, де пласкі смуги залишаються надто далеко від активних енергетичних рівнів, у CsCr3Sb5 вони активно залучені та безпосередньо впливають на властивості матеріалу, підтверджуючи теоретичні прогнози та відкриваючи шлях до інженерії екзотичної суперпровідності через хімічний та структурний контроль.
Для дослідження присутності активних стоячих хвиль електронних мод дослідницька група використала дві передові синхротронні техніки у поєднанні з теоретичним моделюванням. За допомогою кутово-роздільної фотоемісійної спектроскопії (ARPES) було виявлено чіткі ознаки, пов'язані з компактними молекулярними орбіталями. Резонансна непружна рентгенівська спектроскопія (RIXS) вимірювала магнітні збудження, пов'язані з цими електронними модами. Теоретична підтримка була надана аналізом ефекту сильних кореляцій, що відтворив спостережувані особливості та допоміг інтерпретувати результати.
Отримання таких точних даних стало можливим завдяки синтезу незвично великих і чистих кристалів CsCr3Sb5, що були у 100 разів більшими за попередні. Ця робота підкреслює потенціал міждисциплінарних досліджень, демонструючи співпрацю, яка охоплювала дизайн матеріалів, синтез, характеристику електронної та магнітної спектроскопії, а також теорію. Дослідження очолювали Пенгчен Дай, Мін І та Цімяо Сі з Університету Райса, а також Ді-Цзін Хуан з Національного центру синхротронного випромінювання Тайваню.
Це відкриття надає експериментальне підтвердження ідей, які раніше існували лише в теоретичних моделях, і показує, як складна геометрія кагоме-решіток може бути використана як інструмент дизайну для контролю поведінки електронів у твердих тілах. Виявивши активні пласкі смуги, команда продемонструвала прямий зв'язок між геометрією решітки та виникаючими квантовими станами, відкриваючи нові шляхи для інженерії екзотичної суперпровідності через хімічний та структурний контроль. Це дослідження є значним кроком до створення нових стратегій для розробки квантових матеріалів, які можуть стати основою для майбутніх технологій, таких як квантові комп'ютери та високошвидкісні системи зв'язку.