Физики поймали электроны в трехмерном кристалле

Американские физики создали кристалл на основе сплава кальция и никеля CaNi₂ и обнаружили в нем трехмерную плоскую зону проводимости. Ее возникновение стало возможным благодаря структуре кристаллической решетки, напоминающей узор кагоме — японского искусства плетения корзин. О своем открытии ученые сообщили в статье в Nature.

Материалы с плоскими зонами проводимости обладают квантовыми состояниями с затухающей кинетической энергией. Эти плоские зоны часто способствуют усиленным эффектам электронной корреляции и возникновению квантовых фаз вещества. Волна интереса к этим материалам возникла после их экспериментальной реализации в гетероструктурах ван-дер-Ваальса и квазидвумерных кристаллах. Ранее группа ученых из MIT обнаружила, что в металлах с тришестиугольной решеткой кагоме — названной так по аналогии с узором в традиционном японском плетении корзин — тоже возникают плоские запрещенные зоны. Однако ученые обнаружили, что электроны, захваченные в двух измерениях, могут легко покинуть третье измерение, что затрудняет поддержание состояний в плоской зоне.

Теперь Джошуа Уэйкфилд (Joshua P. Wakefield) с коллегами из той же группы из Массачусетского технологического института показали, что в трехмерных кристаллах с решеткой кагоме возникают плоские электронные зоны, в которых электроны могут быть захвачены во всех трех измерениях. Для этого ученые создали кристаллы на основе сплава кальция и никеля, которые содержат структуру решетки пирохлора. Затем физики измерили энергии электронов в этих кристаллах при помощи фотоэмиссионной спектроскопии с угловым разрешением. Они обнаружили, что в подавляющем большинстве электроны кристалла обладают одинаковой энергией, что подтверждает наличие плоской зоны у трехмерного материала.

Однако обнаруженные в этом кристалле электронные полосы оказались значительно ниже уровня Ферми, что уменьшает их возможное влияние на низкоэнергетические свойства вещества. Смещение этих зон ближе к уровню Ферми могло бы привести к нарушениям симметрии с возникновением экзотических фаз. Чтобы проверить возможность манипулирования электронными зонами, физики заменили атомы никеля атомами родия (Rh) и рутения (Ru) при сохранении структуры кристалла. Это действительно сместило электронные зоны ближе к уровню Ферми, что значительно изменило свойства кристалла. В частности, исследователи обнаружили, что кристалл Ca(Rh_1—xRu_x)₂ оказался сверхпроводником с критической температурой 6,2 кельвин.

Ученые отмечают, что дальнейшее изучение и настройка таких структур может пролить свет на взаимодействие электронной корреляции, электрон-фононного взаимодействия и плоскозонных состояний в этом семействе материалов. В частности, это может привести к созданию сверхпроводимости при более высоких температурах. Впрочем, в последнее время создателей сверхпроводников при комнатной температуре преследуют неудачи вплоть до отзыва статей из научных журналов.