Una nueva colaboración internacional dirigida por RMIT publicada en febrero ha descubierto, por primera vez, una transición distinta de superconductor-aislante bosónico impulsada por el desorden.

El descubrimiento esboza una imagen global del efecto Hall anómalo gigante y revela su correlación con la onda de densidad de carga no convencional en la familia de metales kagome AV3Sb5, con aplicaciones potenciales en la futura electrónica de ultra baja energía.

Los superconductores, que pueden transmitir electricidad sin disipación de energía, son una gran promesa para el desarrollo de futuras tecnologías electrónicas de baja energía y ya se aplican en diversos campos, como trenes flotantes e imanes de alta potencia (como resonancias magnéticas médicas).

Sin embargo, la forma precisa en que se forma y funciona la superconductividad en muchos materiales sigue siendo un problema sin resolver y limita sus aplicaciones.

Recientemente, una nueva familia de superconductores kagome AV3Sb5 ha atraído un gran interés por sus nuevas propiedades. Los materiales ‘Kagome’ cuentan con un enrejado inusual llamado así por un patrón de tejido de cesta japonés con triángulos que comparten las esquinas.

Los materiales AV3Sb5 (donde A se refiere a cesio, rubidio o potasio) proporcionan plataformas ideales para estudios de física como topología y fuertes correlaciones, pero a pesar de muchas investigaciones recientes, el origen del efecto Hall anómalo gigante y la superconductividad del material siguen siendo objeto de debate.

La colaboración liderada por FLEET de investigadores de la Universidad RMIT (Australia) y la organización asociada High Magnetic Field Laboratory (China) confirman por primera vez el control eléctrico de la superconductividad y AHE en un metal kagome van der Waals CsV3Sb5.

Manipulación del efecto Hall anómalo gigante a través de la intercalación de protones reversible

Al poseer bandas de electrones topológicas y la frustración geométrica de las redes de vanadio, los metales kagome en capas AV3Sb5 han atraído un gran interés en la física de la materia condensada debido a los muchos fenómenos cuánticos que soportan, que incluyen :

• orden nemático no convencional y novedoso
• orden de densidad de carga quiral
• efecto Hall anómalo gigante (AHE), y
• la interacción entre la superconductividad de dos brechas y la onda de densidad de carga (CDW) en AV3Sb5

Además, el origen de AHE gigante en AV3Sb5 y su correlación con CDW quiral sigue siendo difícil de determinar, a pesar de varios mecanismos propuestos recientemente, incluida la dispersión sesgada extrínseca de cuasipartículas de Dirac con subred magnética frustrada, las corrientes orbitales de orden de carga quiral novedoso y el flujo quiral. fase en la fase CDW.

« Hasta ahora, habíamos obtenido muchos resultados intrigantes con la técnica de puerta de protones en dispositivos espintrónicos vdW. Dado que esta técnica puede modular efectivamente la densidad de la portadora hasta 1021 cm-3, nos gustaría aplicarla en AV3Sb5, que alberga una portadora similar nivel de densidad ». dice el primer autor del nuevo estudio, FLEET Research Fellow Dr. Guolin Zheng (RMIT).

« La capacidad de ajustar la densidad de portadores y las superficies de Fermi correspondientes jugaría un papel vital en la comprensión y manipulación de estos nuevos estados cuánticos y podría realizar algunas transiciones de fase cuánticas exóticas ».

El equipo eligió probar esta teoría en CsV3Sb5, que potencialmente tiene el mayor espacio de átomos libres para la intercalación de protones. Los dispositivos se diseñaron y fabricaron fácilmente en función de la rica experiencia del equipo en este campo.

Sus resultados posteriores con CsV3Sb5 dependieron en gran medida del grosor del material.

« Fue muy difícil modular de manera efectiva los nanoflakes ‘más gruesos’ (más de 100 nm) », dice el coautor principal, FLEET Research Fellow Dr. Cheng Tan (RMIT).

« Pero cuando el grosor se redujo a alrededor de 40 nm, la inyección del protón se volvió bastante fácil », dice Cheng. « Incluso descubrimos que la inyección es altamente reversible. De hecho, rara vez hemos encontrado un material tan amigable con los protones ».

Curiosamente, con la intercalación de protones en evolución, el tipo de portadora (o el « signo » del efecto Hall) podría modularse al tipo de agujero o de electrón y la amplitud de los AHE logrados también se sintonizó de manera efectiva.

Investigaciones experimentales y teóricas adicionales indican que esta modulación dramática de AHE gigante se origina en el cambio de nivel de Fermi en las estructuras de bandas reconstruidas.

« Los resultados del AHE controlado también revelaron que el origen más posible del AHE es la dispersión sesgada y esto mejora aún más nuestra comprensión sobre el metal kagome », explica Guolin. « Pero aún no hemos observado la transición superconductor-aislante en nanoflakes de 40 nm ».

« Debemos probar más nanoflakes CsV3Sb5 más delgados para explorar esto ».

La intercalación de protones indujo la transición de superconductor a ‘aislante fallido’

La coexistencia única de correlaciones electrónicas y topología de banda en AV3Sb5 permite investigar transiciones intrigantes de estos estados correlacionados, como la transición de superconductor-aislante, una transición de fase cuántica generalmente sintonizada por trastornos, campos magnéticos y activación eléctrica.

Al disminuir el número de capas atómicas, el equipo tomó medidas adicionales para explorar las posibles transiciones de fase cuántica en CsV3Sb5.

« Al principio probé directamente algunos nanoflakes ultrafinos de