研究者らはチタンにおける電荷密度波のない電子ネマチックを明らかにする

Aug 16, 2023

2023 年 8 月 24 日

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ボストン大学著

カゴメ材料における電子ネマチック秩序は、これまでのところ、電荷密度波と絡み合っている。 ボストン大学の物理学者率いる研究チームは、最近、Nature Physics誌で報告した。

角を共有する三角形のカゴメネット上に配置された原子で構成される量子材料は、新しい電子動作を実現するための刺激的なプラットフォームを提供すると、論文の共著者でボストン大学物理学教授のイリヤ・ゼリコビッチ氏は説明した。

これまでに合成された材料のカゴメ層に使用できる遷移金属原子は多岐にわたります。 化学式 AV3Sb5 のバナジウム カゴメ層をベースにした材料 (本質的にバナジウムとアンチモンで構成される材料) が、カゴメ超伝導体の稀な例として登場しました。

このシステムは、空間変調電荷密度波や電子の方向性など、高温超伝導体との興味深い類似点を示すため、研究者にとって興味深いものです。 電子の一方向性は、電子が異なる結晶方向に沿ってより速くまたはより遅く移動できるとみなすことができます。 これらのシステムでは、電子の一方向性が常に伴い、電荷密度波、または周期的に空間的に変調された電荷密度によって生成されるように見えましたが、これも一方向であるように見えます。

研究チームは、特にATi3Bi5として知られる、本質的にチタンとビスマスからなる最近発見されたチタンベースのカゴメ金属ファミリーのバルク単結晶を研究した（Aはセシウムとルビジウムのいずれかを表す）。 この系は AV3Sb5 と同じ結晶構造を持っていますが、バナジウム (V) の代わりにチタン原子のカゴメ網があり、アンチモン (Sb) の代わりにビスマス (Bi) があります。

材料中の電子のエネルギーと運動量を明らかにするために、研究チームは走査トンネル顕微鏡と分光法を使用して電子バンド構造を画像化した、とゼリコビッチ氏は述べた。

「私たちは、電子の一方向性が電荷密度波を伴わずに存在できるかどうかを知りたかったのです」とゼリコビッチ氏は語った。 「この段階は電子ネマチック秩序と呼ばれ、これは並進対称性を破ることなく系の回転対称性を破ることを伴い、これが電荷密度波の原因である。」

たとえば、完全な六角形は回転対称ですが、わずかに細長い、または引き伸ばされた六角形は「ネマティック」であると見なされます。 ATi3Bi5 は、よく研究されている AV3Sb5 と等構造であるため、これを探索するための理想的なプラットフォームを提供しましたが、電荷密度波は示されませんでした。

ボストン大学物理学教授のZiqiang Wang氏と学生のHong Li氏、Siyu Cheng氏、Keyu Zeng氏を含む研究チームは、STM測定により材料中に電荷密度波が存在しないことを確認したと報告した。 カリフォルニア大学サンタバーバラ校、イスラエルのワイツマン科学研究所、ドイツのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の同僚も同様です。

「重要なのは、電子がどのように相互作用するかにおいて、単一の優先方向を持つ実質的な電子の一方向性を検出したことです」とゼリコビッチ氏は述べた。 「より正確には、波と考えることができる電子は散乱し、互いに干渉し、定在波を形成します。私たちは定在波が特定の方向でより強く現れることを発見しました。」

他の研究者は同じ単結晶で超伝導を発見しました。 しかし、ゼリコビッチ氏は、抵抗率と磁化の分析ではサンプル中に超電導は検出されなかったと述べた。