Quando a música muda, a dança também muda:controlando estados eletrônicos cooperativos em metais kagome
Imagem de microscópio eletrônico de varredura (SEM) de uma microestrutura em formato hexagonal fabricada pela técnica de feixe de íons focados (FIB). A natureza simétrica do dispositivo permite uma exploração detalhada da simetria eletrônica em metais Kagome. Crédito:Chunyu Guo, MPSD Tocar uma trilha sonora diferente é, fisicamente falando, apenas uma pequena mudança no espectro de vibração, mas seu impacto na pista de dança é dramático. As pessoas anseiam por esse pequeno gatilho e, à medida que a salsa se transforma em tango, surgem padrões coletivos completamente diferentes.
Os elétrons nos metais tendem a apresentar apenas um comportamento à temperatura zero, quando toda a energia cinética é extinta. É preciso frustrar a interação eletrônica para quebrar o domínio de uma ordem eletrônica específica e permitir múltiplas configurações possíveis. Resultados recentes publicados na Nature Physics nas redes Kagome sugerem que esta rede triangular é bastante eficaz para fazer isso.
Nomeada em homenagem ao padrão japonês de cesta de bambu, uma rede kagome bidimensional (2D) é construída por uma série de triângulos que compartilham cantos. Quando cada canto é ocupado por momentos magnéticos com correlações antiferromagnéticas, as interações do vizinho mais próximo favorecem os spins anti-alinhados.
O sistema é, portanto, frustrado geometricamente para atingir um estado ordenado magneticamente, normalmente referido como frustração magnética. No final da década de 1980, foi demonstrado que a rede kagome antiferromagnética pode ser o sistema magnético 2D mais frustrado que se pode construir.
Um grupo específico de supercondutores kagome atraiu recentemente intenso debate científico, com uma série de estudos revelando propriedades aparentemente contraditórias nestes materiais.
Agora, uma equipa de investigação internacional liderada por cientistas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria (MPSD), na Alemanha, conseguiu investigar um membro deste grupo de materiais kagome sem perturbações externas - um passo crucial para compreender a sua natureza intrínseca. estado fundamental eletrônico.
Quando redes kagome 2D são combinadas em metais 3D, esses chamados metais kagome tornam-se um rico campo de testes para explorar a interação entre excitações topológicas não triviais e fortes correlações eletrônicas. Além disso, a forte frustração geométrica impede que as ordens electrónicas sejam estabelecidas, uma vez que múltiplos estados fundamentais possíveis são quase energeticamente degenerados, o que significa que existem dois ou mais estados fundamentais electrónicos possíveis que são quase energeticamente equivalentes.
Com a escala de energia do sistema ainda mais normalizada pelas correlações eletrônicas, os metais kagome frequentemente exibem uma ordem eletrônica entrelaçada, já que mesmo perturbações insignificantes modificam drasticamente suas propriedades físicas.
Devido à sua composição estrutural e frustrações magnéticas, as propriedades dos materiais kagome reagem fortemente até mesmo a perturbações aparentemente menores. Esta extrema sintonia foi fortemente exemplificada pelos recentes avanços em um grupo de supercondutores kagome, AV3 Sb5 . Esses materiais exibem ordens eletrônicas em torno de 100 Kelvin Celsius e um estado fundamental supercondutor com temperatura crítica de ~ 3 K.
Além disso, um conjunto impressionante de experiências demonstrou que “algo mais” está a acontecer neste material, frequentemente associado a uma temperatura inicial de T'~ 30 K. Os cientistas estão a tentar compreender a natureza destas mudanças e porque ocorrem. Até agora, os resultados da pesquisa têm sido abertamente contraditórios e fortemente debatidos.
No seu trabalho recentemente publicado, os investigadores demonstraram que este estado, à primeira vista, contraditório da literatura é uma característica, não um bug. É uma consequência direta do estado fundamental não convencional de AV3 Sb5 , que apresenta vários pedidos eletrônicos interligados. Portanto, perturbações externas, como deformação ou campo magnético, podem empurrar o sistema para fora de seu estado fundamental intrínseco, levando a observações experimentais controversas.
Para identificar o estado fundamental eletrônico inerente sem perturbações, eles desenvolveram uma nova abordagem livre de deformação baseada na técnica de feixe de íons focado para isolar AV3 Sb5 de perturbações como deformação diferencial térmica.
Esses avanços técnicos permitiram à equipe revelar inequivocamente o estado fundamental eletrônico intrínseco, bem como sua resposta drástica a perturbações externas nesses supercondutores kagome. Seu trabalho fornece uma imagem unificadora da controversa ordem de carga nos metais kagome.
As ordens eletrônicas fáceis de manipular nos metais kagome destacam a necessidade de controle de materiais em escala microscópica para identificar quebras emergentes de simetria em materiais quânticos. Eles também apontam para o caminho emocionante em direção à eletrônica do futuro.
Uma vez que as perturbações necessárias para alterar o estado fundamental eletrônico são extremamente pequenas, o estudo oferece insights importantes para as propostas de longa data de aplicações eletrônicas não triviais baseadas em instabilidades eletrônicas em materiais quânticos. Claramente, os elétrons aprendem a dançar muitas músicas nas estruturas kagome.
Mais informações: Chunyu Guo et al, Ordem correlacionada no ponto de inflexão no metal kagome CsV3 Sb5 , Física da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02374-z Fornecido por Sociedade Max Planck
