Investigadores de la Universidad Rice y instituciones colaboradoras han encontrado evidencia directa de bandas electrónicas planas activas en un superconductor kagome. Este avance podría abrir el camino a nuevos métodos para diseñar materiales cuánticos (incluidos superconductores, aislantes topológicos y dispositivos de espintrónica) que impulsen futuras tecnologías electrónicas y computacionales.

Los metales kagome se caracterizan por su red bidimensional de triángulos que comparten vértices; recientemente se predijo que poseen orbitales moleculares compactos, es decir, modos de ondas estacionarias electrónicas, que podrían dar lugar a superconductividad no convencional y nuevos órdenes magnéticos activados por efectos de correlación electrónica. En la mayoría de los materiales, estas bandas planas están demasiado lejos del nivel de activación para producir efectos significativos; sin embargo, en CsCr₃Sb₅ participan activamente y afectan directamente las propiedades del material.

“Nuestros resultados confirman una sorprendente predicción teórica y establecen una vía para diseñar superconductividad exótica mediante control químico y estructural”, dijo el profesor de Física y Astronomía Sam y Helen Worden, Dai.

El descubrimiento proporciona evidencia experimental para una idea que hasta ahora solo existía en modelos teóricos y demuestra cómo utilizar la compleja geometría de la red kagome como herramienta de diseño para controlar el comportamiento electrónico en sólidos.

El profesor asociado de Física y Astronomía, Yi, afirmó: “Al identificar bandas planas activas, hemos demostrado una conexión directa entre la geometría de la red y los estados cuánticos emergentes”.

El equipo de investigación empleó dos técnicas avanzadas de sincrotrón junto con modelado teórico para estudiar la existencia de modos electrónicos estacionarios activos. Utilizaron espectroscopía fotoelectrónica resuelta en ángulo (ARPES) para mapear imágenes de electrones emitidos por luz de sincrotrón, revelando características únicas asociadas a orbitales moleculares densos. La dispersión resonante inelástica de rayos X (RIXS) midió las excitaciones magnéticas relacionadas con estos modos electrónicos.

“Los resultados de ARPES y RIXS de nuestro equipo colaborativo ofrecen una imagen consistente que indica que las bandas planas aquí no son meros espectadores pasivos, sino participantes activos que moldean el paisaje magnético y electrónico”, dijo el profesor de Física y Astronomía Si. “Esto es sorprendente porque hasta ahora solo podíamos ver tales características en modelos teóricos abstractos”.

Mediante el análisis de un modelo de red electrónica personalizado, obtuvimos apoyo teórico para efectos de fuerte correlación; el modelo reproduce las características observadas y guía la interpretación de los resultados. Esta parte del estudio fue liderada por la investigadora joven de Rice y co-primera autora Fang Xie.

El estudiante graduado de Rice y co-primer autor Zehao Wang indicó que obtener datos tan precisos requirió cristales de CsCr₃Sb₅ excepcionalmente grandes y de alta pureza, sintetizados con un método refinado que produce muestras 100 veces más grandes que las anteriores.

El estudio destaca el potencial de la investigación interdisciplinaria, según el estudiante graduado de Rice y co-primer autor Yucheng Guo, quien lideró las investigaciones ARPES.

Guo dijo: “Este trabajo se benefició de la colaboración en diseño de materiales, síntesis, caracterización espectroscópica electrónica y magnética, y teoría”.