Вчені зафіксували квантову поведінку майбутнього у незвичайному матеріалі

Дослідники виявили прямі докази активних плоских електронних зон у надпровіднику кагоме. Це може стати основою для розробки нових квантових матеріалів, зокрема надпровідників, топологічних ізоляторів та рішень для спінової електроніки. Такі матеріали можуть бути використані в електроніці та обчислювальних технологіях наступних поколінь, повідомляє Phys.

Дослідження, опубліковане в журналі Nature Communications, очолили Пенчен Дай, Мін Ї та Цімяо Сі з кафедри фізики та астрономії Університету Райса та Інституту Смоллі-Керла спільно з Ді-Цзіном Хуаном із Національного дослідницького центру синхротронного випромінювання Тайваню. Об’єктом вивчення став метал кагоме на основі хрому CsCr₃Sb₅, який під тиском набуває надпровідних властивостей.

Метали кагоме характеризуються ґраткою з трикутників, що мають спільні кути, і, за прогнозами теоретиків, містять компактні молекулярні орбіталі – своєрідні стоячі хвилі електронів. Такі структури потенційно здатні сприяти нетрадиційній надпровідності та новим магнітним порядкам. У більшості матеріалів ці плоскі електронні зони не беруть активної участі у фізичних процесах, однак у випадку CsCr₃Sb₅ вони впливають безпосередньо на властивості матеріалу.

“Наші результати підтверджують дивовижне теоретичне передбачення та встановлюють шлях для створення екзотичної надпровідності за допомогою хімічного та структурного контролю”, – зазначив Пенчен Дай, професор фізики та астрономії.

Для виявлення активних електронних мод команда застосувала два передові синхротронні методи у поєднанні з теоретичним моделюванням. Зокрема, фотоемісійна спектроскопія з кутовим розрізненням (ARPES) дозволила картувати електрони, що випромінювалися під дією синхротронного світла, і виявити сигнатури, пов’язані з молекулярними орбіталями. Метод резонансного непружного розсіювання рентгенівських променів (RIXS) зафіксував магнітні збудження, що корелюють із цими електронними модами.

“Результати ARPES та RIXS створили узгоджену картину того, що плоскі смуги є не пасивними спостерігачами, а активними учасниками формування магнітного та електронного ландшафту. Це дивовижно бачити, враховуючи, що досі ми могли бачити такі особливості лише в абстрактних теоретичних моделях”, – підкреслив Цімяо Сі, професор фізики та астрономії.

Теоретичну основу для інтерпретації результатів надали шляхом аналізу сильних електронних кореляцій. Для цього була створена спеціальна модель електронної решітки, яка відтворювала спостережувані явища. Цю частину дослідження очолював науковий співробітник Академії Райса Фан Сє.

Важливою умовою успіху став синтез надзвичайно великих і чистих кристалів CsCr₃Sb₅. За словами Цзехао Вана, аспіранта Університету Райса та співавтора роботи, розроблений метод дозволив отримати зразки, у сто разів більші за ті, що були доступні в попередніх дослідженнях.

“Ця робота стала можливою завдяки міждисциплінарній співпраці, що охоплювала розробку матеріалів, синтез, спектроскопічні дослідження та теоретичний аналіз”, – додав Ючен Го, аспірант і співавтор, який керував експериментами ARPES.

Нещодавно вчені вперше в історії синтезували у лабораторних умовах рідкісні гексагональні алмази, які раніше знаходили лише у метеоритах. Ці кристали, відомі як лонсдейліт, є на 60% твердішими за звичайні земні алмази та мають підвищену термостійкість.