I ricercatori rivelano la nematicità elettronica senza onde di densità di carica

Jul 04, 2023

Chestnut Hill, MA — L'ordine nematico elettronico nei materiali kagome è stato finora intrecciato con le onde di densità di carica. Ora viene finalmente osservato come una fase autonoma in un metallo Kagome a base di titanio, un team di ricercatori guidati da fisici del Boston Collegesegnalato recentementein Fisica della Natura.

I materiali quantistici composti da atomi disposti su una rete kagome di triangoli con angoli in comune rappresentano una piattaforma entusiasmante per realizzare nuovi comportamenti elettronici, ha spiegato Ilija Zeljkovic, coautrice dell'articolo e professoressa di fisica del Boston College.

Esiste un'ampia gamma di atomi di metalli di transizione che possono essere utilizzati per popolare gli strati di kagome nei materiali che sono stati sintetizzati fino ad oggi. Materiali basati su strati di kagome di vanadio con formula chimica AV3Sb5, un materiale composto essenzialmente da vanadio e antimonio, sono emersi come rari esempi di superconduttori di kagome.

Il sistema interessa i ricercatori poiché mostra interessanti somiglianze con i superconduttori ad alta temperatura, come le onde di densità di carica che modulano lo spazio e la direzionalità elettronica. L'unidirezionalità elettronica può essere vista come la capacità degli elettroni di viaggiare più velocemente o più lentamente lungo diverse direzioni cristalline. In questi sistemi, l'unidirezionalità elettronica era sempre accompagnata e apparentemente generata da onde di densità di carica, o densità di carica periodica modulata spazialmente, che appare anch'essa unidirezionale.

Il team ha studiato i cristalli singoli sfusi di una famiglia recentemente scoperta di metalli kagome a base di titanio che consistono essenzialmente in titanio e bismuto, noti specificamente come ATi3Bi5, dove A rappresenta cesio e rubidio. Questo sistema ha la stessa struttura cristallina di AV3Sb5, ma con una rete kagome di atomi di titanio che sostituisce il vanadio (V) e bismuto (Bi) che sostituisce l'antimonio (Sb).

Per rivelare l'energia e la quantità di moto degli elettroni nel materiale, il team ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel e la spettroscopia per visualizzare la struttura delle bande elettroniche, ha affermato Zeljkovic.

"Volevamo vedere se l'unidirezionalità elettronica può esistere senza le onde di densità di carica che l'accompagnano", ha detto Zeljkovic. “Questa fase è chiamata ordine nematico elettronico, che comporta la rottura della simmetria rotazionale del sistema senza rompere anche la simmetria traslazionale, che è ciò che causano le onde di densità di carica”.

Ad esempio, un esagono perfetto è rotazionalmente simmetrico, ma un esagono leggermente allungato sarebbe considerato “nematico”. ATi3Bi5 ha presentato una piattaforma ideale per esplorare questo aspetto poiché è isostrutturale rispetto ad AV3Sb5 pesantemente studiato, ma non ha mostrato onde di densità di carica.

Le misurazioni STM hanno confermato l'assenza di onde di densità di carica nel materiale, ha riferito il team, che comprendeva il professore di fisica del Boston College Ziqiang Wang e gli studenti Hong Li, Siyu Cheng e Keyu Zeng; così come i colleghi dell’UC Santa Barbara, del Weizmann Institute of Science in Israele e dell’Università tedesca Ludwig-Maximilians.

"È importante sottolineare che abbiamo rilevato una sostanziale unidirezionalità elettronica, con un'unica direzione preferita, nel modo in cui gli elettroni interagiscono tra loro", ha affermato Zeljkovic. “Più precisamente, gli elettroni, che possono essere pensati come onde, si disperdono e interferiscono tra loro, formando onde stazionarie. Abbiamo scoperto che le onde stazionarie appaiono più intense in una particolare direzione”.

Altri ricercatori hanno trovato superconduttività negli stessi cristalli singoli, tuttavia Zeljkovic ha affermato che l'analisi di resistività e magnetizzazione non ha rilevato superconduttività nei loro campioni.

Zeljkovic ha affermato che i prossimi passi nella ricerca del suo team riguarderanno la comprensione di cosa determina la variazione delle proprietà superconduttrici tra diversi campioni coltivati ​​da diverse collaborazioni e in che modo l'unidirezionalità elettronica rilevata qui influisce sulla superconduttività.

- Questo comunicato stampa è stato fornito dal Boston College