Les chercheurs ont découvert un paysage complexe d'états électroniques qui peuvent coexister sur un réseau kagome, ressemblant à ceux des supraconducteurs à haute température, une équipe de physiciens du Boston College rapporte dans une publication électronique anticipée du journal La nature .

L'objectif de l'étude était un monocristal en vrac d'un métal kagome topologique, connu sous le nom de CSV 3 Sb 5 — un métal qui devient supraconducteur en dessous de 2,5 degrés Kelvin, ou moins 455 degrés Fahrenheit. Le matériau exotique est construit à partir de plans atomiques composés d'atomes de vanadium disposés sur un réseau dit de kagome - décrit comme un motif de triangles et d'hexagones entrelacés - empilés les uns sur les autres, avec des couches d'espacement de césium et d'antimoine entre les plans kagome.

Le matériau offre une fenêtre sur la façon dont les propriétés physiques des solides quantiques, telles que la transmission de la lumière, conduction électrique, ou réponse à un champ magnétique - se rapportent à la géométrie sous-jacente de la structure du réseau atomique. Parce que sa géométrie provoque des interférences destructrices et « frustre » le mouvement cinétique des électrons traversants, les matériaux du réseau kagome sont appréciés pour offrir un terrain unique et fertile pour l'étude des états électroniques quantiques décrits comme frustrés, corrélées et topologiques.

Jusqu'à présent, la majorité des efforts expérimentaux se sont concentrés sur les aimants kagome. Le matériau examiné par l'équipe n'est pas magnétique, ce qui ouvre la porte à l'étude du comportement des électrons dans les systèmes kagomes en l'absence de magnétisme. La structure électronique de ces cristaux peut être classée comme "topologique", tandis qu'une conductivité électrique élevée en fait un "métal".

"Ce métal topologique devient supraconducteur à basse température, qui est une occurrence très rare de supraconductivité dans un matériau kagome, " a déclaré le professeur agrégé de physique du Boston College Ilija Zeljkovic, un co-auteur principal du rapport, intitulé "Cascade d'états électroniques corrélés dans un supraconducteur kagome CsV 3 Sb 5 ."

Dans un métal, les électrons dans le cristal forment un état liquide. La conduction électrique se produit lorsque le liquide chargé s'écoule sous une tension de polarisation. L'équipe a utilisé la spectroscopie à effet tunnel pour sonder les effets d'interférence quantique du liquide électronique, dit Zeljkovic, qui a mené la recherche avec des collègues du Boston College, le professeur de physique Ziqiang Wang, étudiant diplômé Hong Li, et He Zhao, qui a obtenu son doctorat en physique à BC en 2020, ainsi que des collègues de l'Université de Californie, Santa Barbara.

Les expériences ont révélé une "cascade" de phases brisées par la symétrie du liquide électronique entraînée par la corrélation entre les électrons dans le matériau, l'équipe a rapporté.

Se produisant consécutivement lorsque la température du matériau a été abaissée, ondulations, ou ondes stationnaires, émergent d'abord dans le liquide électronique, appelées ondes de densité de charge, avec une périodicité différente du réseau atomique sous-jacent. A une température plus basse, une nouvelle composante d'onde stationnaire ne germe que dans une direction des axes cristallins, de telle sorte que la conduction électrique le long de cette direction est différente de celle de toute autre direction.

Ces phases se développent à l'état normal - ou à l'état métallique non supraconducteur - et persistent en dessous de la transition supraconductrice, a dit Wang. Les expériences démontrent que la supraconductivité dans le CsV 3 Sb 5 émerge de, et coexiste avec, un état électronique quantique corrélé qui brise les symétries spatiales du cristal.

Les résultats pourraient avoir de fortes implications sur la façon dont les électrons forment des paires "Cooper" et se transforment en un superfluide chargé à une température encore plus basse, ou un supraconducteur capable de conduction électrique sans résistance. Dans cette famille de supraconducteurs kagome, d'autres recherches ont déjà suggéré la possibilité d'un appariement électronique non conventionnel, dit Zeljkovic.

Les chercheurs dans le domaine ont noté un phénomène appelé rupture de symétrie par inversion du temps dans CsV 3 Sb 5 . Cette règle de symétrie - qui stipule que les actions seraient effectuées à l'envers si le temps devait reculer - est généralement brisée dans les matériaux magnétiques, mais le kagome metal ne montre aucun moment magnétique substantiel. Zeljkovic a déclaré que les prochaines étapes de cette recherche consistent à comprendre cette apparente contradiction et comment les états électroniques révélés dans ces travaux récents sont liés à la brisure de la symétrie par inversion du temps.

Le niveau d'importance et de recherche sur ces supraconducteurs à réseau kagome récemment découverts se reflète dans un La nature article publié dans la même édition électronique anticipée. Également co-écrit par Ziqiang Wang de la Colombie-Britannique, le papier, intitulé "Onde de densité de paires de Rotons dans un supraconducteur kagome à couplage fort, " rapporte l'observation de nouvelles ondes stationnaires formées par des paires de Cooper avec une autre périodicité dans le même supraconducteur kagome, CSV 3 Sb 5 .

"La publication de ces deux rapports côte à côte révèle non seulement de nouvelles et larges informations sur les supraconducteurs du réseau kagome, mais signale également le niveau élevé d'intérêt et d'enthousiasme entourant ces matériaux et leurs propriétés et phénomènes uniques, que les chercheurs du Boston College et des institutions du monde entier découvrent de plus en plus fréquemment, " a dit Wang.