Исследователи выявили электронную нематичность

Электронный нематический порядок, обычно запутанный с волнами зарядовой плотности, проявляется как автономная фаза в материалах кагоме.

Бостонский колледж

Честнат-Хилл, Массачусетс (24 августа 2023 г.) – Электронный нематический порядок в материалах кагоме до сих пор запутан с волнами зарядовой плотности. Теперь он, наконец, наблюдается как отдельная фаза в металле Кагоме на основе титана, о чем недавно сообщила группа исследователей под руководством физиков Бостонского колледжа в журнале Nature Physics.

Квантовые материалы, состоящие из атомов, расположенных в кагоме-сетке треугольников с общими углами, представляют собой захватывающую платформу для реализации нового электронного поведения, объяснил соавтор статьи и профессор физики Бостонского колледжа Илия Желькович.

Существует широкий спектр атомов переходных металлов, которые можно использовать для заполнения слоев кагоме в материалах, синтезированных на сегодняшний день. Редкими примерами кагомэ-сверхпроводников стали материалы на основе слоев кагоме ванадия с химической формулой AV3Sb5 – материала, состоящего в основном из ванадия и сурьмы.

Система интересует исследователей, поскольку она демонстрирует интригующее сходство с высокотемпературными сверхпроводниками, например, модулирующие пространство волны зарядовой плотности и направленность электронов. Электронную однонаправленность можно рассматривать как способность электронов двигаться быстрее или медленнее в разных кристаллических направлениях. В этих системах однонаправленность электронов всегда сопровождалась и, по-видимому, порождалась волнами зарядовой плотности или периодической пространственно-модулированной плотностью заряда, которая также оказывается однонаправленной.

Команда изучила объемные монокристаллы недавно открытого семейства кагоме-металлов на основе титана, которые по существу состоят из титана и висмута, известного как ATi3Bi5, где A представляет собой либо цезий, либо рубидий. Эта система имеет ту же кристаллическую структуру, что и AV3Sb5, но с кагомной сеткой атомов титана, заменяющих ванадий (V), и висмута (Bi), заменяющего сурьму (Sb).

По словам Зельковича, чтобы выявить энергию и импульс электронов в материале, команда использовала сканирующую туннельную микроскопию и спектроскопию для изображения электронной зонной структуры.

«Мы хотели посмотреть, может ли электронная однонаправленность существовать без сопутствующих волн зарядовой плотности», — сказал Желькович. «Эта фаза называется электронным нематическим порядком, что влечет за собой нарушение вращательной симметрии системы без нарушения трансляционной симметрии, что и вызывают волны зарядовой плотности».

Например, идеальный шестиугольник вращательно-симметричен, но слегка удлиненный или вытянутый шестиугольник будет считаться «нематическим». ATi3Bi5 представлял собой идеальную платформу для изучения этого вопроса, поскольку он изоструктурен хорошо изученному AV3Sb5, но не показал волн зарядовой плотности.

Измерения СТМ подтвердили отсутствие волн зарядовой плотности в материале, сообщила команда, в которую входили профессор физики Бостонского колледжа Цзыцян Ван и студенты Хун Ли, Сию Чэн и Кейю Цзэн; а также коллеги из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, израильского Института науки Вейцмана и немецкого университета Людвига-Максимилиана.

«Важно, что мы обнаружили существенную электронную однонаправленность с единственным предпочтительным направлением во взаимодействии электронов друг с другом», — сказал Желькович. «Точнее, электроны, которые можно рассматривать как волны, рассеиваются и интерферируют друг с другом, образуя стоячие волны. Мы обнаружили, что стоячие волны кажутся более интенсивными в одном конкретном направлении».

Другие исследователи обнаружили сверхпроводимость в тех же монокристаллах, однако Желькович заявил, что анализ удельного сопротивления и намагничивания не обнаружил сверхпроводимости в их образцах.

Желькович сказал, что следующие шаги в исследованиях его команды будут включать понимание того, что движет различиями в свойствах сверхпроводимости в разных образцах, выращенных в разных коллаборациях, и как обнаруженная здесь однонаправленность электроники влияет на сверхпроводимость.