Un team internazionale guidato da ricercatori dell'Università di Princeton ha scoperto un nuovo modello di ordinamento della carica elettrica in un nuovo materiale superconduttore.

I ricercatori hanno scoperto il nuovo tipo di ordinamento in un materiale contenente atomi disposti in una struttura particolare nota come reticolo kagome. Mentre i ricercatori comprendono già come lo spin dell'elettrone può produrre magnetismo, questi nuovi risultati forniscono approfondimenti sulla comprensione fondamentale di un altro tipo di ordine quantistico, vale a dire, magnetismo orbitale, che affronta se la carica può fluire spontaneamente in un ciclo e produrre magnetismo dominato dal movimento orbitale esteso degli elettroni in un reticolo di atomi. Tali correnti orbitali possono produrre effetti quantistici insoliti come effetti Hall anomali ed essere un precursore della superconduttività non convenzionale a temperature relativamente elevate. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Materiali della natura .

"La scoperta di un nuovo ordine di carica in un superconduttore kagome con struttura topologica a bande che è anche sintonizzabile tramite un campo magnetico è un importante passo avanti che potrebbe aprire nuovi orizzonti nel controllo e nello sfruttamento della topologia quantistica e della superconduttività per la futura fisica fondamentale e il prossimo- ricerca sui dispositivi di generazione, " ha detto il signor Zahid Hasan, l'Eugene Higgins Professore di Fisica all'Università di Princeton, che ha guidato il gruppo di ricerca.

Le radici della scoperta risiedono nel funzionamento di due scoperte fondamentali negli anni '80. Uno è l'effetto Hall quantistico, un effetto topologico che è stato oggetto di ricerche decennali. L'effetto Hall è stato il primo esempio di come una branca della matematica teorica, chiamato topologia, potrebbe cambiare radicalmente il modo di descrivere e classificare la materia che compone il mondo. Importanti concetti teorici sull'effetto Hall quantizzato sono stati proposti nel 1988 da F. Duncan Haldane, il professore di fisica matematica Thomas D. Jones e il professore di fisica della Sherman Fairchild University, che nel 2016 è stato insignito del Premio Nobel.

Il secondo precedente è stata la scoperta del superconduttore non convenzionale ad alta temperatura che è stato oggetto del premio Nobel nel 1987. Lo stato insolito di questi superconduttori ha lasciato perplessi gli scienziati. Importanti concetti teorici sulle correnti di loop come precursori della superconduttività non convenzionale sono stati proposti alla fine degli anni '90 da diversi teorici. In entrambi i casi, la proposta chiave è che la carica possa fluire in un reticolo speciale per produrre effetti come il magnetismo orbitale. Però, la realizzazione sperimentale diretta di un tipo così altamente speculativo di ordine di carica quantistica elettronica è estremamente impegnativa.

"La realizzazione dell'ordine di carica del tipo di corrente orbitale richiederebbe che i materiali abbiano sia interazioni forti che geometrie reticolari speciali che sono state realizzate solo negli ultimi anni, " disse Hassan.

Attraverso diversi anni di intensa ricerca su diversi sistemi reticolari geometrici ( Natura 562, 91 (2018); Fisica della natura 15, 443 (2019), Fis. Rev. Lett . 123, 196604 (2019), Natura Comune . 11, 559 (2020), Fis. Rev. Lett . 125, 046401 (2020), Natura 583, 533 (2020), Natura Recensioni Fisica 3, 249 (2021), il team si è gradualmente reso conto che i superconduttori kagome possono ospitare un tale ordine di carica di tipo topologico. Negli ultimi 40 anni sono stati scoperti dozzine di superconduttori con reticoli kagome, ma nessuno ha mostrato lo schema desiderato. Un notevole superconduttore kagome è AV3Sb5 (A=K, Rb, C), che i primi esperimenti hanno dimostrato di contenere accenni di un ordine nascosto intorno a 80 gradi Kelvin, rendendolo una piattaforma plausibile per la ricerca dell'ordine di addebito di tipo topologico.

"La superconduttività spesso suggerisce instabilità per la carica del sistema, e il reticolo kagome è noto per essere un sistema reticolare frustrato, "Hasan ha detto. "I superconduttori kagome possono formare vari ordini di carica esotici, compreso l'ordine di carica di tipo topologico relativo alla loro struttura a bande globale. Che ci ha portato alla nostra ricerca in questa famiglia, anche se non era chiaro se questa superconduttività fosse non convenzionale quando abbiamo iniziato a lavorare su questo materiale".

Il team di ricercatori di Princeton ha utilizzato una tecnica avanzata nota come microscopia a scansione a effetto tunnel a risoluzione subatomica, che è in grado di sondare le funzioni d'onda elettroniche e di spin del materiale su scala subatomica con risoluzione energetica sub-millivot a temperature sub-Kelvin. In queste condizioni calibrate, i ricercatori hanno scoperto un nuovo tipo di ordine di carica che mostra la chiralità, cioè orientamento in una direzione particolare, in AV3Sb5.

"La prima sorpresa è stata che gli atomi del materiale si riorganizzano in una struttura reticolare di ordine superiore (superreticolo) che non ci si aspettava fosse presente nei nostri dati, " disse Yuxiao Jiang, uno studente laureato a Princeton e uno dei primi coautori del documento. "Un tale superreticolo non è mai stato visto in nessun altro sistema di kagome a noi noto."

Il superreticolo è stato il primo indizio per i ricercatori che potrebbe esserci qualcosa di non convenzionale in questo materiale. I ricercatori hanno ulteriormente aumentato la temperatura del materiale per scoprire che il superreticolo è scomparso al di sopra della temperatura critica della fase nascosta stimata dal comportamento di trasporto elettrico della maggior parte del materiale.

"Questa coerenza ci dà la certezza che ciò che abbiamo osservato è più probabile che sia un fenomeno di ordinamento di massa piuttosto che un effetto di superficie, " disse Jia-Xin Yin, uno studioso di ricerca associato e un altro co-primo autore dello studio.

Hasan ha aggiunto, "Per un ordine con addebito all'ingrosso, dobbiamo esaminare ulteriormente se c'è un gap energetico e se la distribuzione di carica nello spazio reale mostra un'inversione attraverso il gap energetico".

I ricercatori hanno presto controllato entrambi i punti per confermare ancora una volta che l'ordine di carica inaspettato mostra una sorprendente inversione di carica attraverso il divario energetico, che scompare anche alla stessa temperatura critica. Le prove sperimentali accumulate hanno stabilito che i ricercatori hanno osservato un ordine di carica in un materiale kagome, che non è mai stato riportato in nessun altro sistema kagome.

"Ora siamo in grado di porre la domanda più grande:se può essere un ordine di carica topologica?" disse Hassan.

Yin ha aggiunto, "Per fortuna, attraverso la nostra ricerca sistematica di sistemi reticolari geometrici negli ultimi anni, abbiamo sviluppato una metodologia di microscopia a scansione a effetto tunnel basata sul campo magnetico vettoriale per esplorare qualsiasi potenziale caratteristica topologica del materiale".

Fondamentalmente, il campo magnetico applicato su un sistema elettronico porta ad una topologia non banale:il flusso magnetico quantistico (h/e) e la conduttanza di Hall quantistica (Ne2/h, relativo a Chern numero N, un invariante topologico) sono governati dallo stesso insieme di costanti fondamentali, inclusa la costante di Planck h e la carica elementare e; la natura vettoriale del campo può interagire in modo differenziale con la chiralità della materia topologica per fornire accesso agli effetti relativi all'invariante topologico.

I ricercatori hanno eseguito esperimenti sull'ordine di carica a campo magnetico zero, un campo magnetico positivo, e un campo magnetico negativo. "Prima che i dati fossero presi, non sapevamo davvero cosa sarebbe successo, "ha detto Hasan.

Una volta completati gli esperimenti, Jiang ha detto, la risposta alla domanda sull'ordine di addebito di tipo topologico era "sì".

"Abbiamo scoperto che l'ordine di addebito mostra effettivamente una chiralità rilevabile, che può essere commutato dal campo magnetico, " ha detto Jiang.

I ricercatori sono entusiasti della loro scoperta iniziale. "Prima di poter avanzare la richiesta, dovevamo ancora riprodurre questo risultato più volte, per escludere effetti dalla sonda di scansione, che può essere di natura estrinseca, " disse Yin.

I ricercatori hanno inoltre trascorso diversi mesi per scoprire che questo ordine di carica chirale commutabile con campo magnetico è onnipresente in KV3Sb5, RbV3Sb5 e CsV3Sb5. "Ora siamo convinti che sia una proprietà intrinseca di questa classe di materiali, "Hasan ha aggiunto, "E questo è molto eccitante!"

Il campo magnetico rompe esplicitamente la simmetria di inversione del tempo. Perciò, la loro osservazione mostra che l'ordine di carica chirale nel reticolo del kagome rompe la simmetria di inversione del tempo. Questo è in qualche modo analogo al modello Haldane nel reticolo a nido d'ape o al modello Chandra Varma nel reticolo CuO2.

I ricercatori hanno inoltre identificato la diretta conseguenza topologica di tale ordine di carica chirale. Con l'aiuto dei calcoli del primo principio della struttura a bande, il team ha scoperto che questo ordine di carica chirale produrrà un grande effetto Hall anomalo con magnetismo orbitale, che è coerente con il risultato di trasporto esistente che è stato interpretato diversamente in un lavoro precedente.

Ora il focus teorico e sperimentale del gruppo si sta spostando sulle dozzine di composti con proprietà flatband del reticolo kagome e anche superconduttività. "È come scoprire l'acqua in un esopianeta:apre una nuova frontiera della ricerca topologica sulla materia quantistica per cui il nostro laboratorio di Princeton è stato ottimizzato, "ha detto Hasan.