Các nhà nghiên cứu tại Đại học Rice, cùng với các tổ chức hợp tác quốc tế, đã công bố phát hiện bằng chứng trực tiếp về các dải điện tử phẳng hoạt động trong siêu dẫn Kagome CsCr3Sb5. Khám phá này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, có thể mở đường cho các phương pháp thiết kế vật liệu lượng tử mới, bao gồm siêu dẫn, chất cách điện tôpô và điện tử dựa trên spin, những thứ có khả năng cung cấp năng lượng cho các công nghệ điện tử và máy tính trong tương lai.
Nghiên cứu tập trung vào CsCr3Sb5, một kim loại Kagome dựa trên crôm, trở nên siêu dẫn dưới áp suất. Kim loại Kagome, đặc trưng bởi mạng lưới hai chiều gồm các tam giác chia sẻ đỉnh, gần đây đã được dự đoán là chứa các quỹ đạo phân tử nhỏ gọn, hay các mẫu sóng đứng của electron. Các mẫu này có khả năng tạo điều kiện cho siêu dẫn không chính thống và trật tự từ tính mới lạ được kích hoạt bởi các hiệu ứng tương quan điện tử. Trong hầu hết các vật liệu, các dải phẳng này vẫn nằm quá xa các mức năng lượng hoạt động để có bất kỳ tác động đáng kể nào; tuy nhiên, trong CsCr3Sb5, chúng đang tích cực tham gia và ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính của vật liệu.
Để điều tra sự hiện diện của các chế độ electron sóng đứng hoạt động, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai kỹ thuật synchrotron tiên tiến cùng với mô hình hóa lý thuyết. Họ đã sử dụng phép đo quang phổ phát xạ quang điện tử phân giải góc (ARPES) để lập bản đồ các electron phát ra dưới ánh sáng synchrotron, tiết lộ các dấu hiệu riêng biệt liên quan đến các quỹ đạo phân tử nhỏ gọn. Phép đo tán xạ X-quang không đàn hồi cộng hưởng (RIXS) đã đo các kích thích từ tính liên kết với các chế độ điện tử này. Sự hỗ trợ lý thuyết được cung cấp bởi việc phân tích tác động của các tương quan mạnh mẽ bắt đầu từ một mô hình mạng lưới điện tử tùy chỉnh, mô phỏng các đặc điểm quan sát được và hướng dẫn việc diễn giải kết quả.
Việc thu được dữ liệu chính xác như vậy đòi hỏi các tinh thể CsCr3Sb5 lớn và tinh khiết bất thường, được tổng hợp bằng một phương pháp tinh chỉnh đã tạo ra các mẫu lớn hơn gấp 100 lần so với các nỗ lực trước đây. Công trình này nhấn mạnh tiềm năng của nghiên cứu liên ngành trên các lĩnh vực nghiên cứu, làm nổi bật sự hợp tác bao gồm thiết kế vật liệu, tổng hợp, đặc tính quang phổ electron và từ tính, và lý thuyết. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi Pengcheng Dai, Ming Yi và Qimiao Si từ Khoa Vật lý và Thiên văn học của Rice, cùng với Di-Jing Huang từ Trung tâm Nghiên cứu Bức xạ Synchrotron Quốc gia Đài Loan.
Phát hiện này cung cấp bằng chứng thực nghiệm cho các ý tưởng trước đây chỉ tồn tại trong các mô hình lý thuyết và cho thấy cách hình học phức tạp của mạng lưới Kagome có thể được sử dụng như một công cụ thiết kế để kiểm soát hành vi của electron trong chất rắn. Bằng cách xác định các dải phẳng hoạt động, nhóm đã chứng minh một mối liên hệ trực tiếp giữa hình học mạng lưới và các trạng thái lượng tử mới nổi, mở ra những con đường mới cho việc kỹ thuật siêu dẫn kỳ lạ thông qua kiểm soát hóa học và cấu trúc.