Die Untersuchung der elektronischen Struktur von Kagome-Metallen stärkt das Verständnis korrelierter Phänomene

Sogenannte Kagome-Metalle, benannt nach dem japanischen gewebten Bambusmuster, dem ihre Struktur ähnelt, weisen symmetrische Muster aus ineinander verschlungenen Dreiecken auf, die Ecken teilen. Diese ungewöhnliche Gittergeometrie und ihre inhärenten Merkmale führen wiederum zu merkwürdigen Quantenphänomenen wie unkonventioneller oder Hochtemperatur-Supraleitung.

Das Potenzial für Geräte, die Elektrizität ohne Verlustleistung bei Raumtemperatur transportieren könnten – sowie der Durst nach grundlegendem theoretischem Verständnis – haben Forscher dazu veranlasst, diese neue Klasse von Quantenmaterialien zu untersuchen und herauszufinden, wie Elektronen mit dem Kagome-Gitter interagieren, um solche zu erzeugen bemerkenswerte Eigenschaften.

Für eine kürzlich entdeckte Klasse von AV3Sb5-Kagome-Metallen, bei denen A =K, Rb oder Cs sein kann, wurde beispielsweise gezeigt, dass sie maximale Volumen-Supraleitfähigkeit in Einkristallen aufweist Tc von 2,5 K bei Umgebungsdruck. Forscher vermuten, dass dies ein Fall unkonventioneller Supraleitung ist, angetrieben durch einen anderen Mechanismus als den Phononenaustausch, der die Bindung in den Elektron-Phonon-gekoppelten supraleitenden Elektronenpaaren der konventionellen Supraleitung charakterisiert.

Es wird angenommen, dass dies sowie andere exotische Eigenschaften, die im Metall beobachtet werden, mit seinen mehreren „Van-Hove-Singularitäten“ (VHSs) in der Nähe des Fermi-Niveaus zusammenhängen. VHSs, die mit der Zustandsdichte (DOS) oder einer Reihe verschiedener Zustände verbunden sind, die Elektronen bei einem bestimmten Energieniveau einnehmen können, können Korrelationseffekte verstärken, wenn ein Material nahe an diesem Energieniveau liegt oder dieses erreicht. Liegt das Fermi-Niveau in der Nähe eines Van-Hove-Punktes, bestimmt die singuläre DOS aufgrund der Vielzahl verfügbarer niederenergetischer Zustände das physikalische Verhalten. Insbesondere werden Wechselwirkungseffekte nicht nur in den Partikel-Partikel-, sondern auch in den Partikel-Loch-Kanälen verstärkt, was zu der Vorstellung konkurrierender Ordnungen führt.

Da diese VHSs Korrelationseffekte verstärken, ist es von entscheidender Bedeutung, ihre Art und Eigenschaften zu bestimmen. Dies veranlasste Forscher unter der Leitung von NCCR MARVEL-Wissenschaftler Professor Ming Shi, Senior Scientist in der Photon Science Division am Paul Scherrer Institute, das Metall weiter zu untersuchen. Das kürzlich erschienene Paper „Rich Nature of Van Hove Singularities in Kagome Superconductor CsV3Sb5“ in Naturkommunikationberichtet über ihre Erkenntnisse.

VHSs können in zwei Typen eingeteilt werden, konventionelle und höhere Ordnung, und jeder ist mit charakteristischen Merkmalen verbunden: Konventionelle Van-Hove-Singularitäten beinhalten eine logarithmische Singularität, aber VHS höherer Ordnung zeigen eine vom Potenzgesetz abweichende DOS. Darüber hinaus besitzen VHSs in Kagome-Gittern unterschiedliche Merkmale im Untergitter, die zu einer Verringerung der lokalen elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen elektrischen Ladungen führen, wodurch die Rolle nichtlokaler Effekte effektiv verstärkt wird.

Um die Phänomene zu untersuchen, kombinierten die Forscher den experimentellen Ansatz der polarisationsabhängigen winkelaufgelösten Photoemissionsspektroskopie (ARPES) mit dem theoretischen Ansatz der Dichtefunktionaltheorie, um die Untergittereigenschaften von VHSs im Metall direkt aufzudecken.

Sie identifizierten vier VHSs, von denen drei nahe am Fermi-Niveau liegen. Einer von ihnen, knapp unterhalb des Fermi-Niveaus, zeigt eine extrem flache Dispersion, was die experimentelle Entdeckung von VHS höherer Ordnung begründet, sagten die Forscher. Diese und andere Merkmale werden auf die AV3Sb5-Familie der Kagome-Metalle verallgemeinert und haben eine breite Palette wichtiger physikalischer Implikationen, die in der Veröffentlichung detailliert beschrieben werden.

Insgesamt kann das Auftreten mehrerer VHS-Typen in der Nähe des Fermi-Niveaus, abgeleitet von der Multiorbitalnatur, eine starke Konkurrenz für verschiedene Paarungsinstabilitäten hervorrufen und daher zahlreiche unterschiedliche Ordnungen in Abhängigkeit von kleinen Änderungen in der Elektronenfüllung erzeugen. Das bedeutet, dass Forscher in der Lage sein könnten, auf die Ordnungen in diesen Metallen durch Trägerdotierung oder äußeren Druck zuzugreifen und sie sogar abzustimmen. Beide Ansätze sollten experimentell und theoretisch weiter untersucht werden, so die Forscher.

Bereitgestellt vom Nationalen Forschungsschwerpunkt (NFS) MARVEL