Schéma du nouveau type d'ordre de charge observé dans un matériau supraconducteur kagome à structure de bande topologique. Les sphères bleu foncé et bleu clair forment le réseau kagome, nommé pour sa ressemblance avec un motif de panier tissé japonais. La nuance de la couleur représente la répartition partielle de la charge. Les couleurs distribuées dans le réseau illustrent le modèle d'ordre inattendu avec la chiralité ou la maniabilité telle que déterminée par l'expérience. Crédit :Y.-X. Jiang, J.-X. Yin et M.Z. Hassan, université de Princeton
Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a découvert un nouveau modèle d'ordre de charge électrique dans un nouveau matériau supraconducteur.
Les chercheurs ont découvert le nouveau type d'ordre dans un matériau contenant des atomes disposés dans une structure particulière connue sous le nom de réseau kagome. Alors que les chercheurs comprennent déjà comment le spin de l'électron peut produire du magnétisme, ces nouveaux résultats donnent un aperçu de la compréhension fondamentale d'un autre type d'ordre quantique, à savoir, magnétisme orbital, qui examine si la charge peut spontanément circuler dans une boucle et produire un magnétisme dominé par le mouvement orbital étendu des électrons dans un réseau d'atomes. De tels courants orbitaux peuvent produire des effets quantiques inhabituels tels que des effets Hall anormaux et être un précurseur de la supraconductivité non conventionnelle à des températures relativement élevées. L'étude a été publiée dans la revue Matériaux naturels .
"La découverte d'un nouvel ordre de charge dans un supraconducteur kagome avec une structure de bande topologique qui est également accordable via un champ magnétique est une avancée majeure qui pourrait ouvrir de nouveaux horizons dans le contrôle et l'exploitation de la topologie quantique et de la supraconductivité pour la future physique fondamentale et la prochaine. recherche de dispositifs de génération, " dit M. Zahid Hassan, le professeur Eugene Higgins de physique à l'Université de Princeton, qui a dirigé l'équipe de recherche.
Les racines de la découverte se trouvent dans le fonctionnement de deux découvertes fondamentales dans les années 1980. L'un est l'effet Hall quantique, un effet topologique qui fait l'objet de recherches depuis des décennies. L'effet Hall a été le premier exemple de la façon dont une branche des mathématiques théoriques, appelée topologie, pourrait changer fondamentalement la façon de décrire et de classer la matière qui compose le monde. Des concepts théoriques importants sur l'effet Hall quantifié ont été avancés en 1988 par F. Duncan Haldane, le Thomas D. Jones Professor of Mathematical Physics et le Sherman Fairchild University Professor of Physics, qui en 2016 a reçu le prix Nobel.
Le deuxième précédent a été la découverte du supraconducteur non conventionnel à haute température qui a fait l'objet du prix Nobel en 1987. L'état inhabituel de ces supraconducteurs a intrigué les scientifiques. Des concepts théoriques importants sur les courants de boucle en tant que précurseur de la supraconductivité non conventionnelle ont été avancés à la fin des années 1990 par plusieurs théoriciens. Dans les deux cas, la proposition clé est que la charge peut circuler dans un réseau spécial pour produire des effets comme le magnétisme orbital. Cependant, la réalisation expérimentale directe d'un type d'ordre de charge quantique électronique aussi hautement spéculatif est extrêmement difficile.
"La réalisation d'un ordre de charge de type courant orbital nécessiterait que les matériaux aient à la fois des interactions fortes et des géométries de réseau spéciales qui n'ont été réalisées que ces dernières années, " dit Hassan.
Grâce à plusieurs années de recherche intense sur plusieurs systèmes de réseaux géométriques ( La nature 562, 91 (2018); Physique de la Nature 15, 443 (2019), Phys. Rév. Lett . 123, 196604 (2019), Communauté Nature . 11, 559 (2020), Phys. Rév. Lett . 125, 046401 (2020), La nature 583, 533 (2020), Nature Avis Physique 3, 249 (2021), l'équipe s'est progressivement rendu compte que les supraconducteurs de kagome peuvent héberger un tel ordre de charge de type topologique. Des dizaines de supraconducteurs avec des réseaux de kagome ont été découverts au cours des 40 dernières années, mais aucun n'a présenté le modèle souhaité. Un supraconducteur kagome notable est AV3Sb5 (A=K, Rb, Cs), dont les premières expériences ont montré qu'elles contenaient des indices d'un ordre caché autour de 80 degrés Kelvin, ce qui en fait une plate-forme plausible pour rechercher l'ordre de charge de type topologique.
"La supraconductivité suggère souvent des instabilités pour la charge du système, et le réseau kagome est connu pour être un système de réseau frustré, " dit Hasan. " Les supraconducteurs kagome peuvent former divers ordres de charges exotiques, y compris l'ordre de charge de type topologique lié à leur structure de bande globale. Cela nous a conduit à notre recherche dans cette famille, même s'il n'était pas clair si cette supraconductivité n'était pas conventionnelle lorsque nous avons commencé à travailler sur ce matériau."
