محققان دانشگاه رایس و مؤسسات همکار موفق به کشف شواهد مستقیم از وجود باند‌های الکترونیکی فعال و مسطح در یک ابررسانای کاگومه شده‌اند. این پیشرفت می‌تواند مسیر طراحی مواد کوانتومی تازه—از جمله ابررساناها، عایق‌های توپولوژیک و الکترونیک مبتنی بر اسپین—را هموار کند و عرصه‌ساز فناوری‌های آینده در حوزه الکترونیک و محاسبات شود.

به گزارش phys.org این مطالعه که توسط پنگچنگ دای، مینگ یی و کیمیاو سی از گروه فیزیک و نجوم و مؤسسه اسمالی-کرل دانشگاه رایس هدایت شد و دی-جینگ هوانگ از مرکز ملی پرتو همدوسی تایوان در آن همکاری داشت، در نشریه Nature Communications انتشار شد. محور تحقیق فلز کروم-پایه کاگومه CsCr₃Sb₅ است که تحت سختی، ابررسانا می‌شود.

فلزات کاگومه با ساختار شبکه‌ای دوبعدی از مثلث‌های گوشه‌مشترک شناخته خواهد شد و اخیراً پیش‌بینی شده است که می‌توانند مدار‌های مولکولی جمع‌شده یا الگو‌های موج ایستاده الکترون‌ها را میزبانی کنند. این ویژگی می‌تواند ابررسانایی غیرمتعارف و نظم‌های مغناطیسی جدیدی تشکیل کند که با اثرات همبستگی الکترون‌ها فعال خواهد شد. در زیاد تر مواد، این باند‌های مسطح آن‌قدر از سطوح انرژی فعال دور می باشند که تاثییر قابل توجهی ندارند، اما در CsCr₃Sb₅ این باند‌ها فعال بوده و به‌طور مستقیم بر ویژگی‌های ماده تأثیر می‌گذارند.

دای استاد فیزیک و نجوم در این باره او گفت: نتایج ما پیش‌بینی نظری شگفت‌انگیزی را قبول کرده و مسیر مهندسی ابررسانایی شگفت و غریب از طریق کنترل شیمیایی و ساختاری را روشن می‌کند.

این کشف این چنین اثبات تجربی ایده‌هایی است که پیش‌تر تنها در مدل‌های نظری وجود داشتند و مشخص می کند که هندسه پیچیده شبکه‌های کاگومه می‌تواند به گفتن ابزاری برای کنترل حرکت الکترون‌ها در جامدات منفعت گیری شود. 

یی، استاد همکار فیزیک و نجوم، افزود: با شناسایی باند‌های مسطح فعال، ربط مستقیم بین هندسه شبکه و حالت‌های کوانتومی نوظهور را نشان داده‌ایم.

تیم تحقیقاتی برای بازدید وجود مد‌های موج ایستاده فعال الکترون‌ها، از دو تکنیک پیشرفته سینکروترون و مدل‌سازی نظری منفعت گیری کردند. آنها با منفعت گیری از طیف‌سنجی فوتوالکترون زاویه‌ای (ARPES) نقشه‌ای از الکترون‌های ساطع‌شده تحت نور سینکروترون ترسیم کردند که نشانه‌های مشخصی از مدار‌های مولکولی جمع‌شده را آشکار ساخت. این چنین طیف‌سنجی پرتو ایکس غیرکشسان هم‌طنین (RIXS) تحریکات مغناطیسی مرتبط با این مد‌های الکترونیکی را اندازه‌گیری کرد.

سی، استاد فیزیک و نجوم او گفت: نتایج ARPES و RIXS یک عکس یکپارچه اراعه خواهند داد که مشخص می کند باند‌های مسطح در این ماده فقطً ناظر نیستند، بلکه نقش فعالی در شکل‌دهی به چشم‌انداز مغناطیسی و الکترونیکی دارند.

تحلیل نظری با منفعت گیری از مدل شبکه الکترونیکی سفارشی و بازدید اثرات همبستگی قوی، ویژگی‌های مشاهده‌شده را بازتولید کرده و تفسیر نتایج را هدایت کرد. 

به حرف های ژهاو وانگ دانشجوی فارغ‌التحصیل رایس و نویسنده هم‌اول دستیابی به این چنین داده‌های دقیقی نیازمند کریستال‌های زیاد خالص و بزرگ CsCr₃Sb₅ می بود که با روشی تصفیه‌شده تشکیل شدند و مثالهایی ۱۰۰ برابر بزرگ‌تر از کوششهای قبل فراهم کردند.

این مطالعه اهمیت پژوهش‌های بین‌رشته‌ای را برجسته می‌کند. یوچنگ گو دانشجوی دیگر رایس و رهبر قسمت ARPES اظهار داشت: این کار تنها به لطف همکاری گسترده بین طراحی و سنتز مواد، طیف‌سنجی الکترون و مغناطیسی و نظریه ممکن شد.