Ученые зафиксировали квантовое поведение будущего в необычном материале

Исследователи обнаружили прямые доказательства активных плоских электронных зон в сверхпроводнике кагоме. Это может стать основой для разработки новых квантовых материалов, в частности сверхпроводников, топологических изоляторов и решений для спиновой электроники. Такие материалы могут быть использованы в электронике и вычислительных технологиях следующих поколений, сообщает Phys.

Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, возглавили Пенчен Дай, Мин И и Цимяо Си с кафедры физики и астрономии Университета Райса и Института Смолли-Керла совместно с Ди-Цзином Хуаном из Национального исследовательского центра синхротронного излучения Тайваня. Объектом изучения стал металл кагоме на основе хрома CsCr₃Sb₅, который под давлением приобретает сверхпроводящие свойства.

Металлы кагоме характеризуются решеткой из треугольников, имеющих общие углы, и, по прогнозам теоретиков, содержат компактные молекулярные орбитали - своеобразные стоячие волны электронов. Такие структуры потенциально способны способствовать нетрадиционной сверхпроводимости и новым магнитным порядкам. В большинстве материалов эти плоские электронные зоны не принимают активного участия в физических процессах, однако в случае CsCr₃Sb₅ они влияют непосредственно на свойства материала.

"Наши результаты подтверждают удивительное теоретическое предсказание и устанавливают путь для создания экзотической сверхпроводимости с помощью химического и структурного контроля", - отметил Пенчен Дай, профессор физики и астрономии.

Для выявления активных электронных мод команда применила два передовых синхротронных метода в сочетании с теоретическим моделированием. В частности, фотоэмиссионная спектроскопия с угловым разрешением (ARPES) позволила картировать электроны, которые излучались под действием синхротронного света, и выявить сигнатуры, связанные с молекулярными орбиталями. Метод резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS) зафиксировал магнитные возбуждения, коррелирующие с этими электронными модами.

"Результаты ARPES и RIXS создали согласованную картину того, что плоские полосы являются не пассивными наблюдателями, а активными участниками формирования магнитного и электронного ландшафта. Это удивительно видеть, учитывая, что до сих пор мы могли видеть такие особенности только в абстрактных теоретических моделях", - подчеркнул Цимяо Си, профессор физики и астрономии.

Теоретическую основу для интерпретации результатов предоставили путем анализа сильных электронных корреляций. Для этого была создана специальная модель электронной решетки, которая воспроизводила наблюдаемые явления. Эту часть исследования возглавлял научный сотрудник Академии Райса Фан Се.

Важным условием успеха стал синтез чрезвычайно больших и чистых кристаллов CsCr₃Sb₅. По словам Цзехао Вана, аспиранта Университета Райса и соавтора работы, разработанный метод позволил получить образцы, в сто раз больше тех, что были доступны в предыдущих исследованиях.

"Эта работа стала возможной благодаря междисциплинарному сотрудничеству, которое охватывало разработку материалов, синтез, спектроскопические исследования и теоретический анализ", - добавил Ючен Го, аспирант и соавтор, который руководил экспериментами ARPES.

Недавно ученые впервые в истории синтезировали в лабораторных условиях редкие гексагональные алмазы, которые ранее находили только в метеоритах. Эти кристаллы, известные как лонсдейлит, на 60% тверже обычных земных алмазов и обладают повышенной термостойкостью.