Dans un matériau kagome non magnétique rare, un métal topologique se refroidit dans un supraconducteur à travers une séquence de nouvelles ondes de densité de charge.
Des chercheurs ont découvert un paysage complexe d’états électroniques qui peuvent coexister sur un réseau kagome, ressemblant à ceux des supraconducteurs à haute température, rapporte une équipe de physiciens du Boston College dans une publication électronique avancée du journal. La nature.
L’objectif de l’étude était un monocristal en vrac d’un métal kagome topologique, connu sous le nom de CsV3Sb5 – 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 de kagome.
Le matériau offre une fenêtre sur la façon dont les propriétés physiques des solides quantiques – telles que la transmission de la lumière, la conduction électrique ou la 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, corrélés et topologiques.
Jusqu’à présent, la majorité des efforts expérimentaux se sont concentrés sur les aimants kagome. Le matériau que l’équipe a examiné n’est pas magnétique, ce qui ouvre la porte à l’étude du comportement des électrons dans les systèmes kagome 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, ce qui est une occurrence très rare de supraconductivité dans un matériau kagome”, a déclaré Ilija Zeljkovic, professeur agrégé de physique au Boston College, co-auteur principal du rapport, intitulé “Cascade of correlated electron states dans un supraconducteur kagome CsV3Sb5.
Dans un métal, les électrons du 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, a déclaré Zeljkovic, qui a mené la recherche avec des collègues du Boston College, le professeur de physique Ziqiang Wang, l’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, a rapporté l’équipe.
Se produisant consécutivement à mesure que la température du matériau était abaissée, des 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. À une température plus basse, une nouvelle composante d’onde stationnaire ne nuclée que le long d’une direction des axes du cristal, de 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 déclaré Wang. Les expériences démontrent que la supraconductivité dans CsV3Sb5 émerge 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 de « 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, a déclaré Zeljkovic.
Les chercheurs dans le domaine ont noté un phénomène appelé bris de symétrie par inversion du temps dans CsV3Sb5. 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 métal kagome 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, l’article, 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, CsV3Sb5.
« 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 les institutions du monde entier découvrent de plus en plus fréquemment », a déclaré Wang.
Référence : “Cascade d’états électroniques corrélés dans un supraconducteur kagome CsV3Sb5» par He Zhao, Hong Li, Brenden R. Ortiz, Samuel ML Teicher, Taka Park, Mengxing Ye, Ziqiang Wang, Leon Balents, Stephen D. Wilson & Ilija Zeljkovic, 29 septembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038/s41586-021-03946-w
