Pesquisadores da Rice University e instituições colaboradoras descobriram evidências diretas de bandas eletrônicas planas ativas em um supercondutor kagome. Essa descoberta pode abrir caminho para novos métodos de design de materiais quânticos — incluindo supercondutores, isolantes topológicos e eletrônica baseada em spin — que podem impulsionar as tecnologias eletrônicas e de computação do futuro. O estudo, publicado na Nature Communications em 14 de agosto, centra-se no metal kagome baseado em cromo CsCr₃Sb₅, que se torna supercondutor sob pressão.
Metais kagome, caracterizados por suas redes bidimensionais de triângulos compartilhando vértices, foram recentemente previstos para hospedar orbitais moleculares compactos, ou padrões de ondas estacionárias de elétrons que podem potencialmente facilitar supercondutividade não convencional e novas ordens magnéticas que podem ser ativadas por efeitos de correlação eletrônica. Na maioria dos materiais, essas bandas planas permanecem muito distantes dos níveis de energia ativos para ter qualquer impacto significativo; no entanto, em CsCr₃Sb₅, elas estão ativamente envolvidas e influenciam diretamente as propriedades do material.
Pengcheng Dai, Ming Yi e Qimiao Si do Departamento de Física e Astronomia da Rice e do Instituto Smalley-Curl, juntamente com Di-Jing Huang do Centro Nacional de Pesquisa de Radiação Sincrontron de Taiwan, lideraram o estudo.
“Nossos resultados confirmam uma previsibilidade teórica surpreendente e estabelecem um caminho para a engenharia de supercondutividade exótica através do controle químico e estrutural,” disse Dai, o professor Sam e Helen Worden de Física e Astronomia.
A descoberta fornece prova experimental para ideias que existiam apenas em modelos teóricos. Ela também mostra como a geometria intrincada das redes kagome pode ser usada como uma ferramenta de design para controlar o comportamento dos elétrons em sólidos.
“Ao identificar bandas planas ativas, demonstramos uma conexão direta entre a geometria da rede e estados quânticos emergentes,” disse Yi, um professor associado de física e astronomia.
A equipe de pesquisa empregou duas técnicas avançadas de síncrotron juntamente com modelagem teórica para investigar a presença de modos eletrônicos de ondas estacionárias ativas. Eles usaram espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES) para mapear elétrons emitidos sob luz de síncrotron, revelando assinaturas distintas associadas a orbitais moleculares compactos. A espalhamento de raios X inelástico ressonante (RIXS) mediu excitações magnéticas vinculadas a esses modos eletrônicos.
“Os resultados de ARPES e RIXS da nossa equipe colaborativa fornecem uma imagem consistente de que as bandas planas aqui não são espectadoras passivas, mas participantes ativas na formação da paisagem magnética e eletrônica,” disse Si, o professor Harry C. e Olga K. Wiess de Física e Astronomia, “Isso é incrível de ver, dado que, até agora, só conseguíamos ver tais características em modelos teóricos abstratos.”
O suporte teórico foi fornecido pela análise do efeito de correlações fortes, começando de um modelo de rede eletrônica personalizado, que replicou as características observadas e guiou a interpretação dos resultados. Fang Xie, um bolsista júnior da Rice Academy e co-primeiro autor, liderou essa parte do estudo.
A obtenção de dados tão precisos exigiu cristais de CsCr₃Sb₅ incomumente grandes e puros, sintetizados usando um método refinado que produziu amostras 100 vezes maiores que os esforços anteriores, disse Zehao Wang, um estudante de graduação da Rice e co-primeiro autor.
O trabalho ressalta o potencial da pesquisa interdisciplinar em diversas áreas de estudo, disse Yucheng Guo, um estudante de graduação da Rice e co-primeiro autor que liderou o trabalho de ARPES.
“Esse trabalho foi possível devido à colaboração que consistiu em design de materiais, síntese, caracterização por espectroscopia de elétrons e magnética e teoria,” disse Guo.
Os co-autores da Rice incluem Yuefei Huang, Bin Gao, Ji Seop Oh, Han Wu, Zheng Ren, Yuan Fang, Yiming Wang, Ananya Biswas, Yichen Zhang, Ziqin Yue, Boris Yakobson e Junichiro Kono.
Outros colaboradores incluem Hsiao-Yu Huang, Jun Okamoto, Ganesha Channagowdra, Atsushi Fujimori e Chien-Te Chen do Centro Nacional de Pesquisa de Radiação Sincrontron de Taiwan; Xingye Lu da Universidade Normal de Pequim; Zhaoyu Liu e Jiun-Haw Chu da Universidade de Washington; Cheng Hu, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick e Eli Rotenberg do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley; Makoto Hashimoto e Donghui Lu do Laboratório Nacional SLAC; Robert Birgeneau da Universidade da Califórnia, Berkeley; e Guang-Han Cao da Universidade de Zhejiang.
O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Robert A. Welch, a Fundação Gordon e Betty Moore, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a Fundação Nacional de Ciências e o programa de Bolsas para Professores Vannevar Bush financiaram este estudo.
