Forskningsteamet oppdager vekslebar elektronisk chiralitet i en akiral Kagome-superleder

Et internasjonalt forskerteam ledet av Department of Microstructured Quantum Matter ved MPSD rapporterer den første observasjonen av skiftbar chiral transport i en strukturelt akiral krystall, Kagome-superlederen CsV₃Sb₅. Arbeidene deres er publisert i Natur.

Hvorvidt et objekt ikke kan skilles fra speilbildet har viktige konsekvenser for dets fysiske oppførsel. Si at du ser på en basketballspiller i et speil. Ballen, spilleren og deres omgivelser er ved første øyekast akkurat det samme i speilet som i det virkelige liv. Men hvis det observeres nøye, er noen detaljer annerledes. Ballen i spillerens høyre hånd vises nå i venstre hånd i speilet. Mens speilbildet fortsatt viser den samme hånden, har det tydelig endret seg fra en venstre til en høyre hånd eller omvendt. Mange andre fysiske gjenstander har også speilbilder som skiller seg i et nøkkelaspekt, akkurat som hender, og det er grunnen til at forskere kaller dem handed eller chiral (fra gresk χϵρι = hånd). Andre, som ballen, kan ikke skilles fra speilbildet, noe som gjør dem akirale.

Kiralitet er en av de mest grunnleggende geometriske egenskapene og spiller en spesiell rolle innen biologi, kjemi og fysikk. Det kan forårsake overraskende effekter: En versjon av karvonmolekylet, for eksempel, produserer en grønnmyntelukt, men dens chirale-speil-ekvivalente lukter av karve.

I materialvitenskap, skiller man mellom krystaller der det periodiske arrangementet av atomene er kiralt eller ikke. Hvis det er det, må elektronene og de elektriske strømmene som strømmer i den også på en eller annen måte skille seg fra speilbildet deres, en egenskap som kan føre til eksotiske reaksjoner og nye applikasjoner. Et eksempel er en diodelignende effekt hvor elektriske strømmer flyter fra venstre til høyre er forskjellige fra de som flyter fra høyre mot venstre, en egenskap som kalles elektronisk magneto-kiral anisotropi (eMChA). Så langt har dette fenomenet bare blitt funnet i strukturelt kirale krystaller.

Nå har imidlertid et internasjonalt forskerteam rapportert den første observasjonen av denne kirale transporten i en strukturelt akiral krystall, Kagome-superlederen CsV₃Sb₅. Teamet involverte forskere fra MPSD og Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (Tyskland), EPFL og University of Zürich i Sveits, University of the Baskerland (Spania) og Qingdao University i Kina.

Kvantepuslespillet er like enkelt som det er dypt: Hvis atomposisjonene i krystallen er akkurat de samme som i deres speilbilde, hvordan er det mulig at elektronene ikke er det? Helt klart må en ny mekanisme utover en enkel formeffekt som i våre hender være på spill. I motsetning til strukturell kiralitet, som er like fast innprentet i en krystall som den er i en menneskelig hånd, kan denne nye elektroniske kiraliteten byttes ved hjelp av magnetiske felt. Byttbar chiralitet har aldri tidligere blitt observert og kan godt finne sin anvendelse i fremtidig teknologi.

Det er tydelig at denne uvanlige oppførselen er direkte knyttet til de sterke elektroniske interaksjonene. Teamet foreslår en modell der elektronene ordner seg i mønstre som bryter med speilsymmetri, selv om atomene er ordnet symmetrisk.

CsV₃Sb₅ er allerede kjent for mange slike samvirkende elektroniske strukturer, slik som dannelsen av en ukonvensjonell chiral ladningsrekkefølge med en fristende ladningsmodulasjon. Disse chirale elektroniske strukturene kan rotere spontant, og forårsake en orbital magnetisk respons assosiert med en oppførsel kjent som “løkkestrømmer”, som beskrevet av C. Mielke et al., Natur 2022.

CsV₃Sb₅ ser ut til å være en fantastisk sandkasse for å undersøke korrelerte kvantefenomener, inkludert det første eksemplet på vekslebar elektronisk chiralitet. De neste trinnene inkluderer å øke driftsområdet fra kryogen til romtemperatur og øke omfanget av denne responsen. Det er klart at mye mer skal komme fra samvirkende systemer på geometrisk frustrerte gitter.

---

---