Στον χώρο της φυσικής στερεάς κατάστασης, λίγα φαινόμενα έχουν κεντρίσει τόσο το ενδιαφέρον όσο τα λεγόμενα μέταλλα kagome. Η ονομασία τους προέρχεται από την ιδιαίτερη γεωμετρία τους, που θυμίζει το ιαπωνικό πλέγμα “kagome“, ένα σχέδιο από αλληλένδετα τρίγωνα. Αυτή η φαινομενικά απλή δομή κρύβει σύνθετες ηλεκτρονικές συμπεριφορές, οι οποίες μέχρι πρόσφατα θεωρούνταν περισσότερο θεωρητικές υποθέσεις παρά χειροπιαστή πραγματικότητα.
Τώρα, όμως, μια διεθνής ερευνητική ομάδα ανακοίνωσε την πρώτη άμεση επιβεβαίωση ότι αυτές οι προβλέψεις ανταποκρίνονται σε πραγματικά δεδομένα. Το εύρημα αυτό ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές που μπορούν να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο σχεδιάζονται τα υλικά του μέλλοντος – και μαζί τους οι υπολογιστές και οι τεχνολογίες αιχμής.
Στο επίκεντρο της μελέτης βρίσκεται το CsCr3Sb5, ένα μέταλλο με βάση το χρώμιο που ανήκει στην οικογένεια των kagome. Το συγκεκριμένο υλικό παρουσιάζει ιδιότητες υπεραγωγιμότητας όταν βρεθεί υπό πίεση. Εκείνο, όμως, που το κάνει να ξεχωρίζει δεν είναι μόνο αυτή η συμπεριφορά, αλλά και το γεγονός ότι μέσα του παρατηρήθηκαν ενεργά “flat electronic bands“. Πρόκειται για ενεργειακά επίπεδα όπου τα ηλεκτρόνια δεν κινούνται με τον συνηθισμένο τρόπο, αλλά συμπεριφέρονται σαν στάσιμα κύματα. Σε πολλά άλλα υλικά αυτού του τύπου, οι flat bands μένουν αδρανείς και χωρίς ουσιαστική συμβολή στις ιδιότητές τους. Στην περίπτωση του CsCr3Sb5, όμως, αυτές οι ζώνες επηρεάζουν άμεσα τόσο τον μαγνητισμό όσο και την υπεραγωγιμότητα.
Η έρευνα, που δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, συντονίστηκε από τους Pengcheng Dai, Ming Yi και Qimiao Si του Rice University σε συνεργασία με τον Di-Jing Huang από το National Synchrotron Radiation Research Center στην Ταϊβάν. Το σημαντικότερο εύρημα είναι ότι οι επιστήμονες κατάφεραν να δείξουν πως οι ηλεκτρονικές αυτές καταστάσεις μπορούν να ελεγχθούν με στοχευμένες παρεμβάσεις στη χημεία και στη δομή του υλικού. Με απλά λόγια, αποδείχθηκε ότι η υπεραγωγιμότητα μπορεί να “σχεδιαστεί” σε εξωτικές μορφές, πέρα από τα παραδοσιακά πρότυπα, ανοίγοντας τον δρόμο για εφαρμογές στην κβαντική ηλεκτρονική και τους υπολογιστές του μέλλοντος.
Για να επιτευχθεί αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές έπρεπε να ξεπεράσουν μεγάλα τεχνικά εμπόδια. Δημιούργησαν κρυστάλλους CsCr3Sb5 με επίπεδο καθαρότητας και μέγεθος χωρίς προηγούμενο, περίπου εκατό φορές μεγαλύτερους από εκείνους που χρησιμοποιούνταν σε παλαιότερες μελέτες. Αυτό το βήμα ήταν καθοριστικό, καθώς επέτρεψε την εφαρμογή προηγμένων τεχνικών, όπως η γωνιακή φασματοσκοπία φωτοεκπομπής (ARPES), που καταγράφει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων με χρήση φωτός σύγχροτρου, αλλά και η φασματοσκοπία σκέδασης ακτίνων Χ (RIXS), η οποία ανιχνεύει μαγνητικές διεγέρσεις που σχετίζονται με τις ίδιες ηλεκτρονικές καταστάσεις.
Οι μετρήσεις έδωσαν σαφή αποτελέσματα: παρουσία συμπαγών μοριακών τροχιακών και στάσιμων ηλεκτρονικών κυμάτων, αδιάσειστα σημάδια ότι οι flat bands συμμετέχουν ενεργά στη φυσική του υλικού. Παράλληλα, οι θεωρητικές αναλύσεις που διεξήχθησαν επιβεβαίωσαν τα πειραματικά δεδομένα, αποδεικνύοντας ότι η μοναδική γεωμετρία του kagome πλέγματος προσφέρει εξαιρετικά λεπτό έλεγχο στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων.
Η σημασία αυτής της ανακάλυψης ξεπερνά τα όρια της ακαδημαϊκής γνώσης. Οι υπεραγωγοί, υλικά που μπορούν να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς απώλειες, θεωρούνται εδώ και χρόνια κλειδί για την επόμενη επανάσταση στην πληροφορική και την ενέργεια. Ωστόσο, η πρόκληση ήταν πάντα η ανάπτυξή τους σε πρακτικές συνθήκες και με ιδιότητες που να μπορούν να αξιοποιηθούν τεχνολογικά. Το γεγονός ότι πλέον μπορούμε να κατευθύνουμε και να “σχεδιάζουμε” τις ηλεκτρονικές ζώνες που καθορίζουν τη συμπεριφορά ενός υπεραγωγού, αλλάζει τα δεδομένα.
Στο άμεσο μέλλον, η κατανόηση και αξιοποίηση των flat bands μπορεί να οδηγήσει σε νέα υλικά για κβαντικούς υπολογιστές, πιο αποδοτικά κυκλώματα και ενεργειακά δίκτυα με μηδενικές απώλειες. Η έρευνα γύρω από το CsCr3Sb5 δεν είναι παρά η αρχή μιας πορείας που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση σε τομείς από τη φυσική μέχρι την πληροφορική, και να καθορίσει τον τρόπο με τον οποίο θα σχεδιάζουμε και θα χρησιμοποιούμε την τεχνολογία τις επόμενες δεκαετίες.
[via]
