Des chercheurs de l'Université Rice et des institutions collaboratrices ont découvert des preuves directes de bandes électroniques plates actives dans un supraconducteur de Kagome. Cette percée pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes pour concevoir des matériaux quantiques – y compris les supraconducteurs, les isolateurs topologiques et l'électronique à base de spin – qui pourrait alimenter les futures technologies de l'électronique et de l'informatique.
L'étude, dirigée par Pengcheng Dai, Ming Yi et Qimiao SI du Département de physique et de l'astronomie de Rice et Smalley-Curl, ainsi que le Di-Jing Huang de Taiwan's National Synchrotron Radiation Research Center, a été publié dans Communications de la nature. Il concentre le Kagome Metal Cscr₃sb₅ à base de chrome, qui devient supraconducteur sous pression.
Les métaux de Kagome, caractérisés par leurs réseaux bidimensionnels de triangles de partage d'angle, ont récemment été prédits pour héberger des orbitales moléculaires compactes, ou des modèles d'ondes debout d'électrons qui pourraient potentiellement faciliter la supraconductivité non conventionnelle et de nouvelles ordres magnétiques qui peuvent être rendus actifs par des effets de corrélation des électrons. Dans la plupart des matériaux, ces bandes plates restent trop loin des niveaux d'énergie actifs pour avoir un impact significatif; Cependant, dans CSCR₃SB₅, ils sont activement impliqués et influencent directement les propriétés du matériau.
« Nos résultats confirment une prédiction théorique surprenante et établissent une voie pour l'ingénierie la supraconductivité exotique par le contrôle chimique et structurel », a déclaré Dai, professeur de physique et d'astronomie de Sam et Helen Worden.
La découverte fournit une preuve expérimentale des idées qui n'avaient existé que dans des modèles théoriques. Il montre également comment la géométrie complexe des réseaux Kagome peut être utilisée comme outil de conception pour contrôler le comportement des électrons dans les solides.
« En identifiant des bandes plates actives, nous avons démontré un lien direct entre la géométrie du réseau et les états quantiques émergents », a déclaré Yi, professeur agrégé de physique et d'astronomie.
L'équipe de recherche a utilisé deux techniques avancées de synchrotron parallèlement à la modélisation théorique pour étudier la présence de modes d'électrons à ondes permanentes actives. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission à résolution de l'angle (ARPES) pour cartographier les électrons émis sous la lumière synchrotron, révélant des signatures distinctes associées à des orbitales moléculaires compactes. La diffusion des rayons X inélastiques résonante (Rix) a mesuré les excitations magnétiques liées à ces modes électroniques.
« Les résultats des arpes et des rix de notre équipe collaborative donnent une image cohérente selon laquelle les bandes plates ici ne sont pas des spectateurs passifs mais des participants actifs à façonner le paysage magnétique et électronique », a déclaré SI, le Harry C. et Olga K. Wiess Professor of Physics and Astronomy « , ce qui est étonnant à voir que, jusqu'à présent, nous ne voyions que de telles fonctionnalités dans les modèles théoriques abusés. »
Un soutien théorique a été fourni en analysant l'effet de fortes corrélations à partir d'un modèle de réseau électronique sur mesure, qui a reproduit les caractéristiques observées et a guidé l'interprétation des résultats. Fang Xie, boursier junior de l'Académie de riz et co-premier auteur, a dirigé cette partie de l'étude.
L'obtention de telles données précises a nécessité des cristaux inhabituellement grands et purs de CSCR₃SB₅, synthétisés en utilisant une méthode raffinée qui a produit des échantillons 100 fois plus importants que les efforts précédents, a déclaré Zehao Wang, un étudiant diplômé de riz et co-auteur.
Les travaux soulignent le potentiel de la recherche interdisciplinaire à travers les domaines de l'étude, a déclaré Yucheng Guo, étudiant diplômé de riz et co-premier auteur qui a dirigé le travail d'ARPES.
« Ce travail a été possible en raison de la collaboration consistant en la conception, la synthèse, la caractérisation et la théorie des spectroscopie électronique et magnétique », a déclaré Guo.
