Ученые обнаружили новое квантовое поведение в необычном сверхпроводящем материале
Открытие международной команды специалистов не только подтверждает предсказания теоретиков, но и открывает путь к созданию принципиально новых квантовых материалов, которые в будущем могут лечь в основу сверхпроводящей электроники, топологических изоляторов и устройств спинтроники.
В своей новой работе физики сосредоточились на изучении свойств соединения CsCr₃Sb₅ — металла на основе хрома с решеткой типа кагоме, то есть двумерной структурой из соединенных треугольников. Эта необычная геометрия уже давно привлекает внимание физиков: теоретические расчеты показали, что такие решетки способны формировать особые электронные состояния — компактные орбитали, или «стоячие волны» электронов. Они могут порождать экзотические квантовые эффекты, включая необычные виды сверхпроводимости и магнитного порядка. Однако до сих пор прямых свидетельств их активной роли в реальных материалах получено не было.
В обычных веществах подобные плоские зоны находятся слишком далеко от энергетических уровней, которые участвуют в проводимости, и поэтому не влияют на свойства. Но в CsCr₃Sb₅ ситуация иная: казалось, что здесь именно они играют ключевую роль и напрямую формируют электронные и магнитные характеристики.
Чтобы увидеть эти тонкие эффекты, команда объединила передовые экспериментальные методы и теоретическое моделирование. С помощью фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением (ARPES) ученые буквально «увидели», как электроны покидают кристалл под действием синхротронного излучения, и зарегистрировали сигнатуры, характерные для компактных орбиталей. А метод резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS) позволил измерить связанные с ними магнитные возбуждения. «Картина, полученная с помощью ARPES и RIXS, согласуется и ясно показывает: именно геометрия кристаллической решетки формирует необычный электронный и магнитный ландшафт», — подчеркнул профессор Цимяо Сы.
Теоретическая часть работы включала построение особой модели электронной решетки, которая воспроизвела обнаруженные особенности и помогла интерпретировать результаты. Немалую роль сыграл и синтез самих образцов: ученым удалось вырастить исключительно чистые и крупные кристаллы CsCr₃Sb₅, размер которых в сто раз превышал предыдущие аналоги. Это стало возможным благодаря усовершенствованной методике, разработанной в лаборатории университета Райса.
Полученные результаты не только решают давнюю загадку физики твердого тела, но и дают ученым еще один ценный инструмент для направленного проектирования квантовых материалов. Управляя геометрией кристаллов и химическим составом, можно будет целенаправленно включать или выключать экзотические электронные состояния, что открывает перспективы для создания новых технологий будущего — от более эффективных сверхпроводников до устройств квантовой электроники.
Ранее ученые обнаружили новое «квантовое эхо» в сверхпроводящих материалах.
