Учёные обнаружили новое квантовое поведение в необычном сверхпроводнике
Электронная структура CsCr₃Sb₅. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62298-5
Исследователи из Университета Райса и других научных учреждений обнаружили прямое доказательство существования активных плоских электронных зон в кагоме-сверхпроводнике. Это открытие может привести к новым методам проектирования квантовых материалов, включая сверхпроводники, топологические изоляторы и спинтронику, которые могут стать основой будущих электронных и вычислительных технологий.
Исследование, проведённое под руководством Пэнчэна Дая, Мин И и Цимао Си из физико-астрономического факультета Университета Райса и Института Смолли-Кёрла, а также Ди-Дзин Хуана из Национального центра синхротронного излучения Тайваня, было опубликовано в журнале Nature Communications. Оно посвящено хромосодержащему кагоме-металлу CsCr₃Sb₅, который становится сверхпроводящим под давлением.
Кагоме-металлы, характеризующиеся двумерными решётками из соединённых треугольников, недавно предсказывались как материалы, способные содержать компактные молекулярные орбитали — стоячие волны электронов, которые могут способствовать необычной сверхпроводимости и новым магнитным порядкам, активируемым эффектами электронной корреляции. В большинстве материалов эти плоские зоны остаются слишком далеко от активных энергетических уровней, чтобы оказывать значительное влияние, однако в CsCr₃Sb₅ они активно участвуют и напрямую влияют на свойства материала.
«Наши результаты подтверждают удивительное теоретическое предсказание и открывают путь для создания экзотической сверхпроводимости с помощью химического и структурного контроля», — заявил Дай, профессор физики и астрономии.
Это открытие предоставляет экспериментальное доказательство идей, которые до сих пор существовали только в теоретических моделях. Оно также показывает, как сложная геометрия кагоме-решёток может использоваться в качестве инструмента проектирования для управления поведением электронов в твёрдых телах.
«Обнаружив активные плоские зоны, мы продемонстрировали прямую связь между геометрией решётки и возникающими квантовыми состояниями», — отметил И, доцент физики и астрономии.
Исследовательская группа использовала два передовых синхротронных метода вместе с теоретическим моделированием, чтобы изучить наличие активных стоячих волн электронов. Они применили фотоэмиссионную спектроскопию с угловым разрешением (ARPES) для картирования электронов, испускаемых под синхротронным излучением, что выявило характерные сигнатуры, связанные с компактными молекулярными орбиталями. Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS) измерило магнитные возбуждения, связанные с этими электронными модами.
«Результаты ARPES и RIXS нашей совместной команды дают согласованную картину, показывающую, что плоские зоны здесь не пассивные наблюдатели, а активные участники формирования магнитного и электронного ландшафта», — сказал Си, профессор физики и астрономии. «Это потрясающе, учитывая, что до сих пор мы могли видеть такие особенности только в абстрактных теоретических моделях».
Теоретическая поддержка была обеспечена анализом эффекта сильных корреляций, основанным на специально разработанной модели электронной решётки, которая воспроизвела наблюдаемые особенности и помогла интерпретировать результаты. Фан Се, младший научный сотрудник Академии Райса и соавтор исследования, руководил этой частью работы.
Получение таких точных данных потребовало необычно крупных и чистых кристаллов CsCr₃Sb₅, синтезированных с использованием усовершенствованного метода, который позволил получить образцы в 100 раз больше, чем в предыдущих попытках, отметил Цзэхао Ван, аспирант Университета Райса и соавтор исследования.
Эта работа подчёркивает потенциал междисциплинарных исследований, сказал Ючэн Го, аспирант Университета Райса и соавтор, руководивший исследованиями с помощью ARPES.
«Это исследование стало возможным благодаря сотрудничеству, включавшему проектирование материалов, синтез, электронную и магнитную спектроскопию, а также теорию», — сказал Го.
Дополнительная информация: Zehao Wang et al, Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62298-5
Источник: Rice University
0 комментариев