Физики из Райсского университета и Национального синхротронного исследовательского центра Тайваня представили прецедент прямого управления электронными состояниями в кагоме металле CsCr3Sb5. Кагоме-металлы известны своей особой двумерной структурой: атомы в них расположены по вершинам соприкасающихся треугольников, образующих регулярную решётку, благодаря чему возникают уникальные электронные свойства.
Теоретические работы ранее предсказывали существование в таких материалах компактных молекулярных орбиталей — стоячих волн электронов, которые способны влиять на сверхпроводимость и магнитный порядок через эффекты корреляции электронов. Однако в классических кагоме-металлах эти электронные зоны обычно находились слишком далеко от энергетических уровней, чтобы определять физические свойства вещества. В случае CsCr3Sb5 плоские зоны оказались активными и непосредственными участниками формирования сверхпроводимости и магнитного состояния, что делает этот материал уникальным.
Иллюстрация: Leonardo
В экспериментальной части работы учёные применили современные методы синхротронного анализа — спектроскопию фотоэлектронной эмиссии с угловым разрешением (ARPES) и резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей (RIXS). ARPES позволяет с высокой точностью измерять распределение электронов по энергиям и импульсам, а RIXS фиксирует магнитные возбуждения. С помощью этих методов удалось получить прямые доказательства того, что компактные плоские электронные состояния играют ключевую роль в формировании исключительной сверхпроводимости и необычного магнитного порядка.
Для проведения исследований были выращены крупные и чистые кристаллы, превосходящие предыдущие образцы примерно в сто раз по размеру. Высокое качество позволило получить детальные спектры и выявить связь между структурой решётки и квантовыми состояниями.
Анализ экспериментальных данных был выполнен с помощью специально разработанной теоретической модели, отражающей структуру кагоме-решётки и взаимодействия между электронами в CsCr3Sb5. Результаты моделирования полностью согласуются с данными физических экспериментов и подтверждают, что плоские электронные зоны, ранее считавшиеся формальными, активно влияют на физику материала.
Важным результатом работы стал вывод о возможности управления электронными и магнитными свойствами с помощью химических и структурных изменений в кагоме-металлах. Это открывает новые перспективы для конструирования материалов с заданной сверхпроводимостью, магнитным порядком и другими квантовыми эффектами.
Открытие авторов закладывает основу для создания квантовых материалов нового поколения на базе активных кагоме-решёток. Такие материалы способны обеспечить прогресс в изучении экзотической сверхпроводимости, квантовых магнитных фаз и, потенциально, разработки сверхэффективных вычислительных устройств и сенсоров.