Aufschluss über die Supraleitung neu entdeckter Kagome-Metalle

Supraleiter – Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand übertragen können – werden bereits in Computern und MRT-Geräten verwendet und versprechen die Entwicklung noch fortschrittlicherer Technologien wie Schwebezüge und Quantencomputer. Wie Supraleitung in vielen Materialien funktioniert, bleibt jedoch ein Rätsel, das ihre Anwendungen einschränkt.

Eine neue Studie veröffentlicht in Naturphysik wirft ein Licht auf die Supraleitfähigkeit von AV3Sb5, einer kürzlich entdeckten Familie von Kagome-Metallen. Die Forschung wurde von Liang Wu von der School of Arts & Sciences geleitet und von Yishuai Xu, einem Postdoc in Wus Labor, und den Doktoranden Zhuoliang Ni und Qinwen Deng in Zusammenarbeit mit Forschern des Weizmann Institute of Science und der University of California durchgeführt. Santa Barbara.

Seit ihrer Entdeckung haben Supraleiter mit der chemischen Formel AV3Sb5 – wobei A für Cäsium, Rubidium oder Kalium steht – wegen ihrer exotischen Eigenschaften großes Interesse geweckt. Die Verbindungen weisen ein Kagome-Gitter auf, eine ungewöhnliche atomare Anordnung, die einem japanischen Korbgeflecht aus ineinander verschlungenen Dreiecken mit gemeinsamen Ecken ähnelt und ihren Namen davon hat. Kagome-Gittermaterialien faszinieren Forscher seit Jahrzehnten, weil sie einen Einblick in Quantenphänomene wie geometrische Frustration, Topologie und starke Korrelationen bieten.

Während frühere Forschungen zu AV3Sb5 die Koexistenz zweier unterschiedlicher kooperativer elektronischer Zustände – der Ladungsdichte-Wellenordnung und der Supraleitung – entdeckt haben, war die Art der Symmetriebrechung, die diese Zustände begleitet, unklar. In der Physik bezieht sich Symmetrie auf ein physikalisches oder mathematisches Merkmal eines Systems, das bei bestimmten Transformationen unverändert bleibt. Wenn ein Material von einem normalen Hochtemperaturzustand in einen exotischen Niedrigtemperaturzustand wie Supraleitung übergeht, erfährt es einen Symmetriebruch. Wu, dessen Labor zeitaufgelöste und nichtlineare optische Techniken zur Untersuchung von Quantenmaterialien entwickelt und einsetzt, machte sich daran, die Art der Symmetriebrechung zu klären, wenn AV3Sb5 in die Ladungsdichtewellenphase eintritt.

AV3Sb5 weist auf, was Forscher eine „Kaskade“ von symmetriegebrochenen Phasen nennen. Mit anderen Worten, wenn das System abkühlt, beginnt es in einen symmetriebrechenden Zustand einzutreten, wobei immer niedrigere Temperaturen zu weiteren gebrochenen Symmetrien führen. „Um Supraleiter für Anwendungen nutzen zu können, müssen wir sie verstehen“, sagt Wu. „Da sich Supraleitung bei noch niedrigeren Temperaturen entwickelt, müssen wir zuerst die Ladungsdichtewellenphase verstehen.“

In seinem normalen Zustand besteht AV3Sb5 aus einer hexagonalen Kristallstruktur, bestehend aus Kagome-Gittern von Vanadium (V)-Atomen, koordiniert durch Antimon (Sb), die übereinander gestapelt sind, mit Lagen aus Cäsium, Rubidium oder Kalium zwischen jedem V- Sb-Schicht. Die Struktur ist sechszählig rotationssymmetrisch; bei einer Drehung um 60 Grad bleibt es gleich.

Um herauszufinden, ob AV3Sb5 seine sechszählige Symmetrie in der Ladungsdichtewellenphase beibehält, führten die Forscher Scanning-Doppelbrechungsmessungen an allen drei Mitgliedern der AV3Sb5-Familie durch. Doppelbrechung oder Doppelbrechung bezieht sich auf eine optische Eigenschaft, die von Materialien mit kristallographisch unterschiedlichen Achsen, einer Hauptachse und einer nicht äquivalenten Achse, gezeigt wird. Wenn Licht entlang der nicht äquivalenten Achse in das Material eintritt, wird es in zwei Teile geteilt, wobei jeder Strahl polarisiert ist und sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet.

„In einer Kagome-Ebene sollte die lineare optische Reaktion in jeder Richtung gleich sein, aber sie sind nicht in AV3Sb5, weil es zwischen den beiden Kagome-Schichten eine relative Verschiebung gibt“, sagt Wu und erklärt, dass die Doppelbrechungsmessungen den Unterschied zwischen zwei offenbarten orthogonale Richtungen in der Ebene und eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Schichten, die die sechsfache Rotationssymmetrie der Materialien auf das Zweifache reduziert, wenn sie in den Ladungsdichtewellenzustand eintreten. „Das war der Physik-Community vorher nicht klar.“

Eindeutige Achsen sind nicht die einzige Erklärung für die Drehung der Lichtpolarisationsebene. Wenn linear polarisiertes Licht auf eine magnetische Oberfläche trifft, verändert es sich ebenfalls, ein Phänomen, das als magneto-optischer Kerr-Effekt bekannt ist. Nachdem die Eigenschaft der Doppelbrechung durch Senden von Licht entlang der Hauptachse in AV3Sb5-Proben getrennt worden war, verwendeten die Forscher eine zweite optische Technik, um das Einsetzen des Kerr-Effekts zu messen. Für alle drei Metalle zeigen die Experimente, dass der Kerr-Effekt im Ladungsdichtewellenzustand beginnt. Dieser Befund weist darauf hin, dass die Bildung von Ladungsdichtewellen eine andere Symmetrie bricht, die Zeitumkehrsymmetrie. Der einfachste Weg, die Zeitumkehrsymmetrie zu brechen – die besagt, dass die Gesetze der Physik gleich bleiben, egal ob die Zeit vorwärts oder rückwärts läuft – ist die Verwendung eines Permanentmagneten, wie wir ihn an einem Kühlschrank anbringen, sagt Wu.

Der Kerr-Effekt ist jedoch nur bei niedrigen Temperaturen mit hoher Auflösung beobachtbar, was darauf hinweist, dass die Kagome-Metalle im Wesentlichen nicht magnetisch sind. „Mit diesen Quantenmaterialien“, sagt Wu, theoretisieren er und seine Mitarbeiter, dass die Zeitumkehrsymmetrie „nicht durch einen Permanentmagneten, sondern durch einen zirkulierenden Schleifenstrom gebrochen wird“. Um die Art der Zeitumkehr-Symmetriebrechung im Zustand der Ladungsdichtewelle zu bestätigen, führten die Forscher ein drittes Experiment durch, in dem sie den Zirkulardichroismus oder das ungleiche Reflexionsvermögen von linkshändigem und rechtshändigem zirkular polarisiertem Licht des Phase der Ladungsdichtewelle. „Wir brauchen noch weitere Arbeit, aber dieser Befund unterstützt wirklich die Möglichkeit zirkulierender Schleifenströme“, deren Existenz auf die unkonventionelle Natur der Supraleitung in den Metallen hindeuten würde, sagt Wu.

2018 verabschiedete der Kongress den National Quantum Initiative Act mit dem Ziel, die Forschung zu Quantenmaterialien und die Entwicklung der Quantentechnologie voranzutreiben. Zu den Quantenmaterialien gehören solche mit topologischen Eigenschaften und solche mit Korrelation, wie die Kagome-Metalle AV3Sb5. Während sich Wus frühere Forschung auf die erstgenannte Kategorie und Antiferromagnete konzentrierte, sagt er, dass die von ihm für diese Studien entwickelte Abtastoptiktechnik ein „einfaches und vielseitiges Werkzeug“ für die Untersuchung der Symmetriebrechung in neuen Kagome-Metallen darstelle.

„Alle Supraleiter sind interessant, weil sie möglicherweise als Grundlage für Quantencomputer verwendet werden könnten, aber bevor wir diese neuen Supraleiter für Quantencomputer verwenden, müssen wir die Natur der Supraleitung verstehen“, sagt Wu.