Materiale bidimensionale kagome: o platformă pentru studierea stărilor cuantice exotice
Cercetătorii de la Universitatea Națională din Seul, împreună cu Centrul pentru Faze Complexe ale Materialelor și alte instituții, au realizat un material kagome bidimensional (2D) care păstrează o bandă electronică plată, reglabilă, la nivelul Fermi. Rezultatele au fost publicate în revista Nature Physics.
Rețelele kagome își iau numele de la un model tradițional japonez de împletire a coșurilor. În aceste materiale, atomii sunt aranjați în triunghiuri care împart colțuri, cu spații hexagonale între ele, iar această geometrie poate da naștere unor comportamente electronice și magnetice neobișnuite. Mingu Kang, autorul principal al studiului, a explicat că rețeaua kagome poate găzdui electroni de bandă plată, care se comportă ca și cum ar avea o masă efectivă extrem de mare. Astfel de benzi plate oferă un cadru promițător pentru descoperirea unor fenomene cuantice exotice, inclusiv superconductivitate neconvențională și stări cuantice fracționare.
De la selecția materialelor la sinteză
Echipa a creat o bază de date cu aproximativ 183.000 de materiale, dintre care circa 5.300 conțin structuri de tip kagome. Cercetătorii au identificat apoi materialele cu straturi vecine legate prin forțe relativ slabe, care le fac mai ușor de desprins în foi subțiri. Pentru candidați, au efectuat calcule DFT pentru a evalua dacă aceștia prezintă caracteristici de legare van der Waals, iar în final au sintetizat cele mai promițătoare opțiuni și au testat experimental dacă pot fi exfoliate în straturi subțiri la nivel atomic.
Prin exfoliere mecanică standard, cercetătorii au obținut un material van der Waals kagome numit A2T3X4, care le-a permis să realizeze o rețea kagome de un singur strat. Folosind tehnica nano-ARPES, care măsoară electronii emiși de un material atunci când este iluminat cu un fascicul de lumină puternic focalizat, echipa a cartografiat stările electronice din probele obținute și a identificat stări electronice de bandă plată în apropierea nivelului Fermi.
Densitate electronică superioară sistemelor moiré
Sistemul bidimensional cu bandă plată bazat pe kagome atinge o densitate de electroni de bandă plată de aproximativ 1 nm⁻², cu peste două ordine de mărime mai mare decât cea a sistemelor existente bazate pe superlatici moiré, de circa 0,01 nm⁻². Potrivit lui Kang, aceasta se datorează faptului că sistemul nu se bazează pe superlatici artificiale de mari dimensiuni pentru a genera stări de bandă plată, ci starea de bandă plată apare intrinsec din geometria unică a rețelei.
Materialul ar putea deveni o platformă avantajoasă pentru realizarea și studierea fenomenelor cuantice determinate de benzile plate, cum ar fi superconductivitatea sau fazele cuantice fracționare, marcate de excitații colective care pot purta fracțiuni din sarcina unui electron. Calculele many-body ale cercetătorilor susțin această posibilitate: ele prezic că efectul Hall cuantic fracționar anormal în rețeaua kagome bidimensională ar putea apărea la scări de energie și temperatură de un ordin de mărime mai mari, de 14–29 meV, față de 1–5 meV în superlaticile moiré existente.
Direcții viitoare de cercetare
În viitor, materialul kagome de un singur strat ar putea permite explorarea unor comportamente colective neobișnuite ale electronilor la temperaturi mai ridicate decât cele raportate în studii anterioare. Echipa intenționează să dezvolte dispozitive reglabile electric bazate pe rețele kagome bidimensionale și să investigheze dacă interacțiunile puternice dintre electronii din banda plată kagome pot genera stări cuantice noi, precum superconductivitate neconvențională, magnetism sau stări topologice fracționare, posibil la temperaturi mult mai ridicate decât în platformele existente. Kang a subliniat că această primă platformă kagome bidimensională autentică deschide numeroase direcții noi de cercetare, inclusiv fabricarea de heterostructuri van der Waals și chiar de superstructuri moiré bazate pe rețele kagome bidimensionale.
