Forscher enthüllen elektronische Nematizität ohne Ladungsdichtewellen

Jul 04, 2023

Chestnut Hill, MA – Die elektronische nematische Ordnung in Kagome-Materialien war bisher mit Ladungsdichtewellen verknüpft. Jetzt wurde es endlich als eigenständige Phase in einem Kagome-Metall auf Titanbasis beobachtet, ein Forscherteam unter der Leitung von Physikern des Boston Collegekürzlich berichtetin Naturphysik.

Quantenmaterialien, die aus Atomen bestehen, die auf einem Kagome-Netz aus Dreiecken mit gemeinsamen Ecken angeordnet sind, stellen eine spannende Plattform zur Verwirklichung neuartigen elektronischen Verhaltens dar, erklärte Ilija Zeljkovic, Co-Autor des Artikels und Physikprofessor am Boston College.

Es gibt eine breite Palette von Übergangsmetallatomen, die zur Besiedlung der Kagome-Schichten in bisher synthetisierten Materialien verwendet werden können. Materialien, die auf Vanadium-Kagom-Schichten mit der chemischen Formel AV3Sb5 basieren – einem Material, das im Wesentlichen aus Vanadium und Antimon besteht – erwiesen sich als seltene Beispiele für Kagome-Supraleiter.

Das System ist für Forscher von Interesse, da es faszinierende Ähnlichkeiten mit Hochtemperatur-Supraleitern aufweist, beispielsweise raummodulierende Ladungsdichtewellen und elektronische Richtungsabhängigkeit. Elektronische Unidirektionalität kann als Elektronen betrachtet werden, die sich schneller oder langsamer entlang verschiedener Kristallrichtungen bewegen können. In diesen Systemen wurde die elektronische Unidirektionalität immer von Ladungsdichtewellen oder periodischen räumlich modulierten Ladungsdichten begleitet und scheinbar erzeugt, die ebenfalls unidirektional erscheinen.

Das Team untersuchte massive Einkristalle einer kürzlich entdeckten Familie von Kagome-Metallen auf Titanbasis, die im Wesentlichen aus Titan und Wismut bestehen und insbesondere als ATi3Bi5 bekannt sind – wobei A entweder Cäsium oder Rubidium darstellt. Dieses System hat die gleiche Kristallstruktur wie AV3Sb5, jedoch mit einem Kagome-Netz aus Titanatomen anstelle von Vanadium (V) und Wismut (Bi) anstelle von Antimon (Sb).

Um die Energie und Impulse der Elektronen im Material aufzudecken, nutzte das Team Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie, um die elektronische Bandstruktur abzubilden, sagte Zeljkovic.

„Wir wollten sehen, ob elektronische Unidirektionalität ohne die begleitenden Ladungsdichtewellen existieren kann“, sagte Zeljkovic. „Diese Phase wird als elektronische nematische Ordnung bezeichnet, was bedeutet, dass die Rotationssymmetrie des Systems gebrochen wird, ohne dass auch die Translationssymmetrie gebrochen wird, die Ladungsdichtewellen verursachen.“

Beispielsweise ist ein perfektes Sechseck rotationssymmetrisch, ein leicht verlängertes oder gestrecktes Sechseck würde jedoch als „nematisch“ betrachtet. ATi3Bi5 stellte eine ideale Plattform zur Erforschung dieses Themas dar, da es isostrukturell zu stark untersuchtem AV3Sb5 ist, zeigte jedoch keine Ladungsdichtewellen.

Die STM-Messungen bestätigten das Fehlen von Ladungsdichtewellen im Material, berichtete das Team, dem der Physikprofessor Ziqiang Wang vom Boston College und die Studenten Hong Li, Siyu Cheng und Keyu Zeng angehörten; sowie Kollegen von der UC Santa Barbara, dem israelischen Weizmann Institute of Science und der deutschen Ludwig-Maximilians-Universität.

„Wichtig ist, dass wir eine erhebliche elektronische Unidirektionalität mit einer einzigen Vorzugsrichtung in der Art und Weise festgestellt haben, wie Elektronen miteinander interagieren“, sagte Zeljkovic. „Genauer gesagt: Elektronen, die man sich als Wellen vorstellen kann, streuen und interferieren miteinander und bilden stehende Wellen. Wir haben herausgefunden, dass die stehenden Wellen in einer bestimmten Richtung intensiver erscheinen.“

Andere Forscher haben in denselben Einkristallen Supraleitung gefunden, Zeljkovic sagte jedoch, dass die Widerstands- und Magnetisierungsanalyse in ihren Proben keine Supraleitung feststellen konnte.

Zeljkovic sagte, dass die nächsten Schritte in der Forschung seines Teams darin bestehen werden, zu verstehen, was die Variation der supraleitenden Eigenschaften in verschiedenen Proben antreibt, die in verschiedenen Kooperationen gezüchtet wurden, und wie sich die hier festgestellte elektronische Unidirektionalität auf die Supraleitung auswirkt.

– Diese Pressemitteilung wurde vom Boston College bereitgestellt