Forscher beschreiben nie zuvor gesehene Eigenschaften in einer Familie von supraleitenden Kagome-Metallen

Dramatische Fortschritte im Quantencomputing, Smartphones, die nur einmal im Monat aufgeladen werden müssen, Züge, die schweben und sich mit superschnellen Geschwindigkeiten bewegen. Technologiesprünge wie dieser könnten die Gesellschaft revolutionieren, aber sie bleiben weitgehend unerreichbar, solange die Supraleitung – der Stromfluss ohne Widerstand oder Energieverschwendung – nicht vollständig verstanden wird.

Eine der größten Einschränkungen für reale Anwendungen dieser Technologie besteht darin, dass die Materialien, die Supraleitung ermöglichen, typischerweise extrem niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein müssen, um diesen Grad an elektrischer Effizienz zu erreichen. Um diese Grenze zu umgehen, müssen Forscher sich ein klares Bild davon machen, wie verschiedene supraleitende Materialien auf atomarer Ebene aussehen, wenn sie verschiedene Materiezustände durchlaufen, um zu Supraleitern zu werden.

Gelehrte in einem Labor der Brown University sind in Zusammenarbeit mit einem internationalen Team von Wissenschaftlern der Lösung dieses Rätsels für eine kürzlich entdeckte Familie von supraleitenden Kagome-Metallen einen kleinen Schritt näher gekommen. In einem neue Studieverwendeten sie eine innovative neue Strategie, die Kernspinresonanztomographie und eine Quantenmodellierungstheorie kombinierte, um die mikroskopische Struktur dieses Supraleiters bei 103 Grad Kelvin zu beschreiben, was etwa 275 Grad unter 0 Grad Fahrenheit entspricht.

Die Forscher beschrieben die Eigenschaften dieses bizarren Materiezustands zum ersten Mal Physikalische Überprüfungsforschung. Letztendlich stellen die Ergebnisse eine neue Errungenschaft auf dem stetigen Weg zu Supraleitern dar, die bei höheren Temperaturen arbeiten. Supraleiter, die bei Raumtemperatur (oder nahe daran) betrieben werden können, gelten aufgrund der enormen technologischen Möglichkeiten, die sie in der Energieeffizienz eröffnen würden, als heiliger Gral der Physik der kondensierten Materie, einschließlich in der Stromübertragung, im Transportwesen und im Quantencomputing.

„Wenn Sie jemals etwas entwickeln und kommerziell machen wollen, müssen Sie wissen, wie man es kontrolliert“, sagte Brown-Physikprofessorin Vesna Mitrović, die eine NMR-Gruppe für kondensierte Materie an der Universität leitet und Mitautorin des neuen ist lernen. „Wie beschreiben wir es? Wie optimieren wir es, damit wir bekommen, was wir wollen? Nun, der erste Schritt dazu ist, dass Sie wissen müssen, wie die Zustände mikroskopisch sind. Sie müssen anfangen, sich ein vollständiges Bild davon zu machen. “

Im Fokus der neuen Studie steht der Supraleiter RbV3Sb5, der aus den Metallen Rubidiumvanadium und Antimon besteht. Das Material verdient seinen Namensgeber wegen seiner besonderen atomaren Struktur, die einem Korbgeflecht ähnelt, das aus miteinander verbundenen sternförmigen Dreiecken besteht. Kagome-Materialien faszinieren Forscher aufgrund des Einblicks, den sie in Quantenphänomene gewähren und zwei der grundlegendsten Bereiche der Physik überbrücken – die topologische Quantenphysik und die Physik der kondensierten Materie.

Frühere Arbeiten verschiedener Gruppen haben gezeigt, dass dieses Material eine Kaskade verschiedener Phasenübergänge durchläuft, wenn die Temperatur gesenkt wird, wodurch verschiedene Aggregatzustände mit unterschiedlichen exotischen Eigenschaften entstehen. Wenn dieses Material auf 103 Grad Kelvin gebracht wird, ändert sich die Gitterstruktur und das Material zeigt eine sogenannte Ladungsdichtewelle, bei der die elektrische Ladungsdichte auf und ab springt. Das Verständnis dieser Sprünge ist wichtig für die Entwicklung von Theorien, die das Verhalten von Elektronen in Quantenmaterialien wie Supraleitern beschreiben.

Was bei dieser Art von Kagome-Metall bisher nicht gesehen wurde, war, wie die physikalische Struktur dieser Gitter- und Ladungsordnung bei der Temperatur aussah, die die Forscher betrachteten, dem höchsten Temperaturzustand, bei dem das Metall beginnt, zwischen verschiedenen Aggregatzuständen überzugehen .

Mithilfe einer neuen Strategie, die NMR-Messungen und eine als Dichtefunktionaltheorie bekannte Modellierungstheorie kombiniert, die zur Simulation der elektrischen Struktur und Position von Atomen verwendet wird, war das Team in der Lage, die neue Struktur, in die sich das Gitter ändert, und seine Ladungsdichtewelle zu beschreiben.

Sie zeigten, dass sich die Struktur von einem 2x2x1-Muster mit einem charakteristischen Davidstern-Muster zu einem 2x2x2-Muster bewegt. Dies geschieht, weil sich das Kagome-Gitter in sich selbst umkehrt, wenn die Temperatur extrem kalt wird. Das neue Gitter, in das es übergeht, besteht größtenteils aus separaten Sechsecken und Dreiecken, wie die Forscher zeigten. Sie zeigten auch, wie sich dieses Muster verbindet, wenn sie eine Ebene der RbV3Sb5-Struktur nehmen und sie drehen, indem sie aus einem anderen Winkel hinein „blicken“.

„Es ist, als ob dieser eine Kagome jetzt zu diesen komplizierten Dingen wird, die sich in zwei Teile teilen“, sagte Mitrović. „Es dehnt das Gitter so, dass das Kagome zu dieser Kombination aus Sechsecken und Dreiecken in einer Ebene wird und dann in der nächsten Ebene, nachdem Sie es um einen halben Kreis gedreht haben, wiederholt es sich.“

Die Untersuchung dieser Atomstruktur ist ein notwendiger Schritt, um ein vollständiges Bild der exotischen Materiezustände zu liefern, in die dieses supraleitende Material übergeht, sagten die Forscher. Sie glauben, dass die Ergebnisse zu weiteren Untersuchungen führen werden, ob diese Formation und ihre Eigenschaften zur Supraleitung beitragen können oder ob sie unterdrückt werden sollte, um bessere Supraleiter herzustellen. Die neue einzigartige Technik, die sie verwendeten, wird es den Forschern auch ermöglichen, eine ganze Reihe neuer Fragen zu beantworten.

„Wir wissen jetzt, was das ist, und unsere nächste Aufgabe ist es, herauszufinden, wie die Beziehung zu anderen bizarren Phasen bei niedriger Temperatur ist – hilft es, konkurriert es, können wir es kontrollieren, können wir es bei höheren Temperaturen bewirken, wenn es ist nützlich?“ sagte Mitrović. „Als nächstes senken wir die Temperatur weiter und lernen mehr.“

Die experimentelle Forschung wurde von Jonathan Frassineti, einem gemeinsamen Doktoranden von Brown und der Universität Bologna, Pietro Bonfà von der Universität Parma und zwei Brown-Studenten geleitet: Erick Garcia und Rong Cong. Die theoretische Arbeit wurde von Bonfà geleitet, während alle Materialien an der University of California Santa Barbara synthetisiert wurden.