Les métaux dits kagome, nommés d’après le motif de bambou tissé japonais auquel leur structure ressemble, présentent des motifs symétriques de triangles entrelacés partageant les coins. Cette géométrie de réseau inhabituelle et ses caractéristiques inhérentes conduisent, à leur tour, à de curieux phénomènes quantiques tels que la supraconductivité non conventionnelle ou à haute température.
Le potentiel des dispositifs capables de transporter de l’électricité sans dissipation à température ambiante – ainsi qu’une soif de compréhension théorique fondamentale – ont conduit les chercheurs à étudier cette nouvelle classe de matériaux quantiques et à essayer de comprendre comment les électrons interagissent avec le réseau kagome pour générer un tel caractéristiques remarquables.
Une classe récemment découverte de métaux kagome AV3Sb5, où A peut être = K, Rb ou Cs, s’est avérée, par exemple, présenter une supraconductivité globale dans les monocristaux à un maximum TC de 2,5 K à pression ambiante. Les chercheurs soupçonnent qu’il s’agit d’un cas de supraconductivité non conventionnelle, entraînée par un mécanisme autre que l’échange de phonons qui caractérise la liaison dans les paires d’électrons supraconducteurs couplés électron-phonon de la supraconductivité conventionnelle.
On pense que ceci, ainsi que d’autres propriétés exotiques observées dans le métal, sont liés à ses multiples « singularités de Van Hove » (VHS) près du niveau de Fermi. Les VHS, associés à la densité d’états (DOS), ou ensemble d’états différents que les électrons peuvent occuper à un niveau d’énergie particulier, peuvent améliorer les effets de corrélation lorsqu’un matériau est proche ou atteint ce niveau d’énergie. Si le niveau de Fermi se situe à proximité d’un point de Van Hove, le DOS singulier détermine le comportement physique en raison du grand nombre d’états de basse énergie disponibles. En particulier, les effets d’interaction sont amplifiés non seulement dans les canaux particule-particule, mais aussi dans les canaux particule-trou, ce qui conduit à la notion d’ordres concurrents.
Étant donné que ces VHS améliorent les effets de corrélation, il est extrêmement important de déterminer leur nature et leurs propriétés. C’est ce qui a incité les chercheurs dirigés par le professeur Ming Shi, scientifique du NCCR MARVEL, chercheur principal à la division de la science des photons de l’Institut Paul Scherrer, à approfondir l’étude du métal. L’article « Rich Nature of Van Hove Singularities in Kagome Superconductor CsV3Sb5 », récemment publié dans Communication Naturerend compte de leurs découvertes.
Les VHS peuvent être classés en deux types, conventionnels et d’ordre supérieur, et chacun est associé à des caractéristiques distinctives: les singularités de van Hove conventionnelles impliquent une singularité logarithmique mais les VHS d’ordre supérieur montrent un DOS divergent en loi de puissance. De plus, les VHS dans les réseaux de kagome possèdent des caractéristiques distinctes dans le sous-réseau qui conduisent à une réduction des interactions électrostatiques locales entre les charges électriques, renforçant efficacement le rôle des effets non locaux.
Pour étudier les phénomènes, les chercheurs ont combiné l’approche expérimentale de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire dépendante de la polarisation (ARPES) avec l’approche théorique de la théorie fonctionnelle de la densité pour révéler directement les propriétés de sous-réseau des VHS dans le métal.
Ils ont identifié quatre VHS, dont trois sont proches du niveau de Fermi. L’un d’eux, juste en dessous du niveau de Fermi, affiche une dispersion extrêmement plate, établissant la découverte expérimentale d’un VHS d’ordre supérieur, ont déclaré les chercheurs. Ceci, et d’autres caractéristiques, sont généralisés à la famille AV3Sb5 de métaux kagome et ont un large éventail d’implications physiques importantes, détaillées dans l’article.
Dans l’ensemble, l’apparition de plusieurs types de VHS près du niveau de Fermi, dérivés de la nature multi-orbitale, peut induire une riche compétition pour diverses instabilités d’appariement et donc générer de nombreux ordres différents en fonction de petits changements dans le remplissage électronique. Cela signifie que les chercheurs peuvent être en mesure d’accéder et même d’ajuster les ordres dans ces métaux grâce au dopage des porteurs ou à la pression externe. Les deux approches devraient être étudiées plus avant par l’expérience et la théorie, ont déclaré les chercheurs.
Yong Hu et al, Nature riche des singularités de Van Hove dans le supraconducteur de Kagome CsV3Sb5, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29828-x
Fourni par le Pôle de recherche national (NCCR) MARVEL