Heterogeneous superconductivity emerging from a charge-stripe state in kagome lattices

In de wereld van de materiaalkunde volgen elektronen meestal een voorspelbaar script. Ze stromen door metalen zoals water in een rivier, of ze vormen paren en bewegen in perfecte lockstep om supergeleidendheid te creëren, een staat waarin elektriciteit stroomt met nul weerstand. Decennialang geloofden natuurkundigen dat supergeleidendheid en een andere elektronische staat, een ladingsdichtheidsgolf genoemd, natuurlijke vijanden waren. Een ladingsdichtheidsgolf is een patroon waarbij elektronen zichzelf in statische rimpelingen ordenen, wat resulteert in een bevriezing tot een rigide structuur. De oude regel was simpel: als de elektronen druk bezig zijn met het vormen van deze rimpelingen, kunnen ze niet paren om supergeleidend te worden, en vice versa. Ze concurreren om dezelfde elektronen, en één orde wint meestal, waardoor de andere wordt weggedrukt. Recent ontdekkingen hebben echter aangetoond dat de natuur complexer is dan deze eenvoudige rivaliteit. In sommige materialen kunnen deze twee staten naast elkaar bestaan, en hun interactie kan geheel nieuwe, onverwachte gedragingen creëren die ons begrip van hoe materie op kwantumniveau werkt, uitdagen.

Onderzoekers hebben nu een opvallend voorbeeld van deze complexiteit ontdekt in een familie van kristallen die kagome-supergeleiders worden genoemd. Deze materialen zijn vernoemd naar hun interne structuur, die lijkt op een geweven mandpatroon gemaakt van driehoeken. Door zorgvuldig een kleine hoeveelheid tinatomen toe te voegen om een klein deel van de antimoonatomen in het kristal te vervangen, observeerde een team van wetenschappers, onder leiding van onderzoekers aan de University of Science and Technology of China, een dramatische verschuiving in hoe het materiaal zich gedraagt. Ze ontdekten dat wanneer het kristal een specifieke fase betreedt waarin de elektronen korte, streepvormige patronen vormen, de supergeleidendheid niet simpelweg verdwijnt of uniform verzwakt. In plaats daarvan wordt het een lappendeken. In deze staat ontstaat supergeleidendheid in kleine, geïsoleerde eilanden die groeien en uiteindelijk verbinding maken om een pad door het materiaal te vormen, terwijl een aanzienlijk deel van de elektronen ongepaard en normaal blijft, zelfs diep binnen de supergeleidende staat.

De reis naar deze ontdekking begon met het kweken van hoogwaardige kristallen van het materiaal, een verbinding genaamd CsV3Sb5, en het systematisch vervangen van een klein fractie van de atomen ervan met tin. De wetenschappers brachten in kaart hoe het materiaal veranderde naarmate ze de hoeveelheid tin verhoogden. Ze ontdekten dat op een zeer specifiek punt, wanneer ongeveer zeven procent van de antimoonatomen was vervangen, de aard van de elektronpatronen abrupt veranderde. Vóór dit punt vormden de elektronen een groot, herhalend patroon over het gehele kristal. Net na dit punt viel het patroon uiteen in korte, gelokaliseerde strepen. Gelijktijdig met deze verandering daalde de temperatuur waarbij het materiaal een supergeleider werd scherp. Maar de meest verrassende bevinding was niet alleen de daling in temperatuur, maar de vreemde manier waarop de supergeleidendheid zich in deze strepenfase gedroeg.

Toen de wetenschappers de elektrische weerstand en magnetische eigenschappen van deze strepenfase-monsters maten, zagen ze een duidelijke mismatch. Het materiaal begon tekenen van supergeleidendheid te vertonen, zoals het afstoten van magnetische velden, bij een veel hogere temperatuur dan de temperatuur waarop het daadwerkelijk begon te geleiden met nul weerstand. Deze kloof suggereerde dat supergeleidendheid niet overal tegelijkertijd plaatsvond. In plaats daarvan vormden kleine zakjes supergeleidend materiaal zich vroegtijdig, drijvend in een zee van normaal, niet-supergeleidend metaal. Terwijl de temperatuur verder daalde, groeiden deze zakjes en verbonden ze zich uiteindelijk, zoals eilanden die samensmelten tot een continent, waardoor elektriciteit vrij door het hele monster kon stromen. Dit proces, bekend als percolatie, verklaarde waarom de overgang zo breed was en waarom het materiaal anders reageerde afhankelijk van hoe de stroom erdoorheen werd gestuwd.

Om deze lappendeken direct te zien, gebruikten de onderzoekers een krachtige microscoop genaamd een scanning tunneling microscope, die individuele atomen kan afbeelden en de energie van elektronen op specifieke plaatsen kan meten. Ze ontdekten dat de grootte van de supergeleidende gap — het energiebereik waar elektronen in paren vergrendeld zijn — aanzienlijk varieerde van de ene plek naar de andere over het kristaloppervlak. In sommige gebieden was de gap groot en goed gedefinieerd; in andere was deze kleiner en uitgesmeerd. Cruciaal was dat deze variatie niet overeenkwam met de distributie van de tinatomen. De tinatomen waren gelijkmatig verspreid, dus de ongelijkmatigheid van de supergeleidendheid werd niet veroorzaakt door de onzuiverheden zelf. In plaats daarvan was de variatie gekoppeld aan de kort-afstands elektronische strepen. De microscoop onthulde dat de elektronen door deze strepen werden verstrooid op een manier die de supergeleidende paren verbrak, maar dit alleen in bepaalde regio's deed, waardoor een landschap van sterke en zwakke supergeleidendheid ontstond.

Misschien wel het meest verwarrende aspect van deze staat was de aanwezigheid van een groot aantal ongepaarde elektronen, of "normale vloeistof", zelfs wanneer het materiaal supergeleidend was. In een typische supergeleider paren bijna alle elektronen zich onder een bepaalde temperatuur. Hier echter toonden de metingen aan dat een aanzienlijk deel van de elektronen, ongeveer een derde tot twee derde, afhankelijk van het monster, ongepaard en actief bleef, zelfs bij de laagste temperaturen. Deze ongepaarde elektronen waren niet slechts willekeurige restanten; ze waren geconcentreerd op specifieke paden binnen de elektronische structuur van het materiaal die direct verbonden waren met de strepenpatronen. De onderzoekers concludeerden dat de kort-afstandsstrepen fungeerden als een bron van sterke verstrooiing, die de elektronparen verbruken op een manier die verboden is in conventionele supergeleiders, maar een kenmerk is van een meer exotisch type ordening waarbij het teken van de elektronische golf verandert.

De studie sluit verschillende eenvoudigere verklaringen voor dit gedrag uit. De ongelijkmatige supergeleidendheid werd niet veroorzaakt door het klonteren van de tinatomen of door spanning in het kristalrooster, aangezien de distributie van het tin uniform was en het effect verdween wanneer het streeppatroon verdween. Het was ook geen geval waarbij het materiaal simpelweg splitste in twee verschillende fasen van supergeleider en metaal. In plaats daarvan wijst het bewijs op een enkele, verenigde staat waarin de supergeleidendheid inherent fragiel en ruimtelijk variabel is vanwege de interactie met de ladingsstrepen. Deze bevinding suggereert dat de elektronen in deze kagome-materialen paren vormen op een complexe, onconventionele manier, waarschijnlijk waarbij het teken van hun kwantumgolffunctie verandert, wat hen zeer gevoelig maakt voor de aanwezigheid van de strepen.

Dit werk biedt een zeldzaam inzicht in een staat van materie waarin supergeleidendheid en ladingsorde niet alleen concurreren, maar ook samenwerken om een heterogene, lappendeken-realiteit te creëren. Het daagt de langgevestigde visie uit dat supergeleidendheid een uniforme, alles-of-niets-toestand moet zijn, en laat zien dat het onder de juiste omstandigheden kan ontstaan als een verzameling verbonden eilanden. Door dit unieke gedrag te identificeren in een materiaal dat relatief eenvoudig en goed begrepen is, hebben de onderzoekers een nieuw venster geopend naar de fysica van onconventionele supergeleidendheid. Hun resultaten suggereren dat de interactie tussen verschillende elektronische ordeningen kan leiden tot rijke en onverwachte verschijnselen, wat een nieuw platform biedt voor het verkennen van de fundamentele mechanismen die bepalen hoe elektronen paren en zonder weerstand stromen.