I ricercatori hanno scoperto un complesso panorama di stati elettronici che possono coesistere su un reticolo kagome, simili a quelli dei superconduttori ad alta temperatura, un team di fisici del Boston College riferisce in una pubblicazione elettronica anticipata della rivista Natura .

Il focus dello studio era un singolo cristallo sfuso di un metallo topologico kagome, noto come CsV ₃ Sb ₅ —un metallo che diventa superconduttore al di sotto di 2,5 gradi Kelvin, o meno 455 gradi Fahrenheit. Il materiale esotico è costituito da piani atomici composti da atomi di vanadio disposti su un cosiddetto reticolo di kagome, descritto come uno schema di triangoli ed esagoni intrecciati, impilati uno sopra l'altro, con strati distanziatori di cesio e antimonio tra i piani di kagome.

Il materiale offre una finestra su come le proprietà fisiche dei solidi quantistici, come la trasmissione della luce, conduzione elettrica, o risposta a un campo magnetico, si riferiscono alla geometria sottostante della struttura reticolare atomica. Poiché la sua geometria provoca interferenze distruttive e "frustra" il movimento cinetico degli elettroni che attraversano, i materiali reticolari kagome sono apprezzati per offrire il terreno unico e fertile per lo studio degli stati elettronici quantistici descritti come frustrati, correlata e topologica.

La maggior parte degli sforzi sperimentali finora si è concentrata sui magneti kagome. Il materiale esaminato dal team non è magnetico, che apre la porta allo studio di come si comportano gli elettroni nei sistemi kagome in assenza di magnetismo. La struttura elettronica di questi cristalli può essere classificata come "topologica", mentre l'elevata conduttività elettrica lo rende un "metallo".

"Questo metallo topologico diventa superconduttore a bassa temperatura, che è un evento molto raro di superconduttività in un materiale kagome, ", ha affermato Ilija Zeljkovic, professore associato di fisica del Boston College, un coautore principale del rapporto, intitolato "Cascata di stati di elettroni correlati in un superconduttore kagome CsV ₃ Sb ₅ ."

In un metallo, gli elettroni nel cristallo formano uno stato liquido. La conduzione elettrica si verifica quando il liquido caricato scorre sotto una tensione di polarizzazione. Il team ha utilizzato la spettroscopia a effetto tunnel per sondare gli effetti di interferenza quantistica del liquido elettronico, disse Zeljkovic, che ha condotto la ricerca con i colleghi del Boston College Professor of Physics Ziqiang Wang, studente laureato Hong Li, e He Zhao, che ha conseguito il dottorato in Fisica presso la BC nel 2020, così come i colleghi dell'Università della California, Santa Barbara.

Gli esperimenti hanno rivelato una "cascata" di fasi interrotte dalla simmetria del liquido elettronico guidato dalla correlazione tra gli elettroni nel materiale, ha riferito la squadra.

Avviene consecutivamente quando la temperatura del materiale è stata abbassata, increspature, o onde stazionarie, emergono prima nel liquido elettronico, note come onde di densità di carica, con periodicità diversa dal reticolo atomico sottostante. A una temperatura più bassa, una nuova componente d'onda stazionaria nuclea solo lungo una direzione degli assi cristallini, tale che la conduzione elettrica lungo questa direzione è diversa rispetto a qualsiasi altra direzione.

Queste fasi si sviluppano nello stato normale, o nello stato metallico non superconduttore, e persistono al di sotto della transizione superconduttiva, ha detto Wang. Gli esperimenti dimostrano che la superconduttività in CsV ₃ Sb ₅ emerge da, e convive con, uno stato elettronico quantistico correlato che rompe le simmetrie spaziali del cristallo.

I risultati potrebbero avere forti implicazioni su come gli elettroni formano coppie "Cooper" e si trasformano in un superfluido carico a una temperatura ancora più bassa, o un superconduttore capace di conduzione elettrica senza resistenza. In questa famiglia di superconduttori kagome, altre ricerche hanno già suggerito la possibilità di accoppiamenti elettronici non convenzionali, disse Zeljkovic.

I ricercatori nel campo hanno notato un fenomeno chiamato rottura della simmetria di inversione temporale in CsV ₃ Sb ₅ . Questa regola di simmetria, che sostiene che le azioni verrebbero eseguite in senso inverso se il tempo scorresse all'indietro, è tipicamente infranta nei materiali magnetici, ma il metallo kagome non mostra momenti magnetici sostanziali. Zeljkovic ha affermato che i prossimi passi in questa ricerca sono comprendere questa apparente contraddizione e come gli stati elettronici rivelati in questo recente lavoro sono correlati alla rottura della simmetria dell'inversione del tempo.

Il livello di significato e di ricerca in questi superconduttori reticolari kagome scoperti di recente si riflette in un'associazione Natura articolo pubblicato nella stessa edizione elettronica anticipata. Scritto anche da Ziqiang Wang di BC, la carta, intitolato "Onda di densità di coppia di Roton in un superconduttore kagome ad accoppiamento forte, " riporta l'osservazione di nuove onde stazionarie formate da Cooper accoppiate con un'altra periodicità nello stesso superconduttore kagome, CsV ₃ Sb ₅ .

"La pubblicazione di questi due rapporti fianco a fianco non solo rivela nuove e ampie intuizioni sui superconduttori reticolari kagome, ma ma segnala anche l'alto livello di interesse ed eccitazione che circonda questi materiali e le loro proprietà e fenomeni unici, che i ricercatori del Boston College e delle istituzioni di tutto il mondo stanno scoprendo con sempre maggiore frequenza, "Ha detto Wang.