कागोमे धातुओं में फ्लैट बैंड भविष्य के सुपरकंडक्टर्स को अनलॉक कर सकते हैं

कागोमे सुपरकंडक्टर्स में नई प्रगति

Superconductors are materials that carry electricity without resistance, but until now, they have only worked under extreme conditions. Kagome metals may change that.”
This grounds readers who may not be physics-savvy.

नवंबर 2024 में, हमने एक नई सामग्री नई चुंबकीय सिद्धांतों के लिए, Rice University के शोधकर्ताओं द्वारा विकसित।

This discovery was built पर 2022 की एक प्रकाशन, जिसमें शोधकर्ताओं ने पाया कि “कागोमे सामग्री,” एक प्रकार का धातु क्रिस्टल, आश्चर्यजनक चुंबकीय गुण प्रदर्शित करता है।

It takes its name from the kagome weaving pattern used in traditional Japanese craft, or trihexagonal tiling, with overlapping triangles and large hexagonal voids.

स्रोत: Research Gate

इसी प्रकार, कागोमे सामग्री, जैसे कि उदाहरण के तौर पर, चुंबकीय आयरन-जर्मेनियम क्रिस्टल, इस पैटर्न में परमाणु स्तर पर व्यवस्थित होते हैं।

एक अन्य क्रोमियम-आधारित कागोमे धातु, CsCr₃Sb₅ (सेज़ियम-क्रोमियम-एंटिमनी), भविष्य के इलेक्ट्रॉनिक घटकों के लिए विशाल संभावनाएँ रखती प्रतीत होती है, जिसमें सुपरकंडक्टर्स, टोपोलॉजिकल इंसुलेटर, और स्पिन-आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स शामिल हैं, जैसा कि राइस यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा नवीनतम पेपर में बताया गया है, जो नेचर कम्युनिकेशन्स¹ में प्रकाशित हुआ, शीर्षक “Spin excitations and flat electronic bands in a Cr-based kagome superconductor” के अंतर्गत।

कागोमे सामग्री के चुंबकीय एवं इलेक्ट्रॉनिक गुण

Already in 2022, unique properties of the kagome material had been noticed:

• Magnetic effects require electrons to flow around the kagome triangles, akin to superconductivity.
  • Although these magnetic and charge density wave effects are not superconductivity in the conventional sense, researchers have confirmed that such phenomena in kagome materials can persist even at room temperature and normal pressure conditions. This makes them valuable stepping stones toward discovering higher-temperature superconductors.
• The presence of a “charge density wave“, where the electrons “merge” into each other into a collective wave, collectively carrying an electric current.
  • Unlike “normal” superconductivity, this comes in spikes, like water dripping from a faucet, more than a continuous electron flow.
• Despite displaying charge density waves, kagome materials also display magnetic properties, which are usually 2 incompatible properties.

Overall, the very organized nature of kagome materials could make them easier to study phenomena at the very edge of our understanding of electromagnetism, like “unconventional superconductivity” or “the continual fluctuations between magnetic states in quantum spin liquids”.

कागोमे सुपरकंडक्टर बनाना

फ्लैट बैंड इलेक्ट्रॉन

फ्लैट बैंड इलेक्ट्रॉन वे इलेक्ट्रॉन हैं जो एक विशेष प्रकार की इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बैंड में होते हैं जिसका ऊर्जा स्थिर रहती है, या “फ्लैट” डिस्पर्शन, जिसका अर्थ है कि इलेक्ट्रॉन अपने संवेग की परवाह किए बिना समान गतिज ऊर्जा रखते हैं।

कम तकनीकी शब्दों में, इसका मतलब एक सुपर-घनी अवस्था है, जहाँ इलेक्ट्रॉन सुपरकंडक्टर्स की तरह व्यवहार कर सकते हैं, लेकिन सुपरकंडक्टिविटी की सामान्य पूर्वशर्तों (अत्यधिक ठंडा या अत्यधिक उच्च दबाव) के बिना।

अब तक, कागोमे लैटिस को स्थिर करके आवश्यक ऊर्जा स्तर पर फ्लैट बैंड लाना कठिन रहा है। जब तक कि CsCr₃Sb₅ का उपयोग नहीं किया गया।

“Our results confirm a surprising theoretical prediction and establish a pathway for engineering exotic superconductivity through chemical and structural control,”
Pengcheng Dai – Rice’s Department of Physics and Astronomy

सही क्रिस्टल बनाना

CsCr₃Sb₅ स्वाभाविक रूप से एक परतदार षटकोणीय लैटिस में क्रिस्टलीकृत होता है.

स्रोत: Nature Communications

हालांकि, प्रभाव को बड़े पैमाने पर देखने और भविष्य के व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी सामग्री प्राप्त करने के लिए, एक बहुत बड़ा क्रिस्टल आवश्यक था।

अपने पिछले तरीकों को परिष्कृत करके, शोधकर्ताओं ने पहले की तुलना में 100 गुना बड़े नमूने तैयार किए।

CsCr₃Sb₅ कागोमे सुपरकंडक्टर का ARPES और RIXS विश्लेषण

To visualize the electronic structure of CsCr3Sb5, the researchers used a technique called ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy ). It creates a map of the electron under light generated by a particle accelerator (synchrotron).

स्रोत: Nature Communications