Uma equipe de pesquisa forneceu a primeira prova experimental de que bandas eletrônicas planas em um supercondutor de Kagome são ativas e moldam diretamente comportamentos eletrônicos e magnéticos.
Pesquisadores da Rice College, trabalhando com parceiros internacionais, encontraram a primeira evidência clara de bandas eletrônicas planas ativas dentro de um supercondutor de Kagome. A descoberta marca um passo importante para criar novas estratégias para projetar materiais quânticos, incluindo supercondutores, isoladores topológicos e eletrônicos baseados em rotação, que podem desempenhar um papel central no avanço da eletrônica e da computação.
As descobertas, publicadas em 14 de agosto em Comunicações da naturezaConcentre-se no Kagome Metallic CSCR₃SB₅, à base de cromo, um materials que se torna supercondutor quando colocado sob pressão.
Os metais Kagome são definidos por sua rede bidimensional exclusiva de triângulos de compartilhamento de canto. Teorias recentes sugeriram que essas estruturas podem hospedar orbitais moleculares compactos, ou padrões de elétrons de onda permanente, que podem permitir supercondutividade não convencional e estados magnéticos incomuns impulsionados por efeitos de correlação de elétrons.
Na maioria dos materiais conhecidos, essas bandas planas estão posicionadas muito longe dos níveis de energia relevantes para influenciar o comportamento. No CSCR₃SB₅, no entanto, eles desempenham um papel ativo e moldam diretamente as propriedades do materials.
Pengcheng Dai, Ming Yi e Qimiao Si do Departamento de Física e Astronomia de Rice e Instituto Smalley-Curl, juntamente com Di-Jing Huang, do Centro Nacional de Pesquisa de Radiação Syncrotron de Taiwan, liderou o estudo.
“Nossos resultados confirmam uma previsão teórica surpreendente e estabelecem um caminho para a supercondutividade exótica de engenharia através do controle químico e estrutural”, disse Dai, Sam e Helen Worden Professor de Física e Astronomia.
A descoberta fornece provas experimentais para idéias que existiam apenas em modelos teóricos. Ele também mostra como a geometria intrincada das treliças de Kagome podem ser usadas como uma ferramenta de design para controlar o comportamento dos elétrons em sólidos.
“Ao identificar bandas planas ativas, demonstramos uma conexão direta entre geometria da rede e estados quânticos emergentes”, disse Yi, professor associado de física e astronomia.
Técnicas e descobertas experimentais
A equipe de pesquisa empregou duas técnicas avançadas de síncrotron, juntamente com a modelagem teórica para investigar a presença de modos de elétrons de ondas permanentes ativas. Eles usaram espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPEs) para mapear elétrons emitidos sob luz síncrotron, revelando assinaturas distintas associadas a orbitais moleculares compactos. A dispersão de raios X inelásticos ressonantes (RIXS) mediu excitações magnéticas ligadas a esses modos eletrônicos.
“Os resultados do Arpes e Rixs de nossa equipe colaborativa fornecem uma imagem consistente de que as bandas planas aqui não são espectadores passivos, mas participantes ativos na formação da paisagem magnética e eletrônica”, disse Si, Harry C. e Olga Okay. Wiess Professor de Física e Astronomia, “isso é incrível para ver, até agora, até agora, é possível ver os modelos.
O suporte teórico foi fornecido analisando o efeito de fortes correlações a partir de um modelo de treliça eletrônica personalizada, que replicou as características observadas e orientou a interpretação dos resultados. Fang Xie, um membro júnior da Academia de Rice e co-primeiro autor, liderou essa parte do estudo.
A obtenção de dados tão precisos exigia cristais incomumente grandes e puros de CSCR₃SB₅, sintetizados usando um método refinado que produziu amostras 100 vezes maior que os esforços anteriores, disse Zehao Wang, um estudante de graduação em arroz e co-primeiro autor.
O trabalho ressalta o potencial de pesquisas interdisciplinares em todos os campos de estudo, disse Yucheng Guo, estudante de graduação em arroz e co-primeiro autor que liderou o trabalho do ARPES.
“Este trabalho foi possível devido à colaboração que consistia em design de materiais, síntese, caracterização e teoria de elétrons e espectroscopia magnética”, disse Guo.
Reference: “Spin excitations and flat digital bands in a Cr-based kagome superconductor” by Zehao Wang, Yucheng Guo, Hsiao-Yu Huang, Fang Xie, Yuefei Huang, Bin Gao, Ji Seop Oh, Han Wu, Jun Okamoto, Ganesha Channagowdra, Chien-Te Chen, Feng Ye, Xingye Lu, Zhaoyu Liu, Zheng Ren, Yuan Fang, Yiming Wang, Ananya Biswas, Yichen Zhang, Ziqin Yue, Cheng Hu, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Makoto Hashimoto, Donghui Lu, Junichiro Kono, Jiun-Haw Chu, Boris I. Yakobson, Robert J. Birgeneau, Guang-Han Cao, Atsushi Fujimori, Di-Jing Huang, Qimiao Si, Ming Yi e Pengcheng Dai, 14 de agosto de 2025, Comunicações da natureza.
Doi: 10.1038/s41467-025-62298-5
Financiamento: Departamento de Energia dos EUA, Welch Basis, Gordon e Betty Moore Basis, Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, Fundação Nacional de Ciência dos EUA
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