La disposizione degli atomi all'interno di un materiale determina fondamentalmente il comportamento degli elettroni e i conseguenti stati elettronici. I reticoli kagome, caratterizzati da modelli ripetitivi di triangoli che condividono gli angoli con spazi esagonali tra loro, sono teoricamente legati alla comparsa di proprietà elettroniche insolite. Sebbene queste strutture siano state ampiamente studiate a livello teorico, la maggior parte dei materiali kagome esistenti è tridimensionale, dove le interazioni tra gli strati spesso oscurano la fisica sottostante.
Un team guidato da Mingu Kang dell'Università Nazionale di Seul e del Centro per le Fasi Complesse dei Materiali ha ora realizzato un sistema kagome a singolo strato ideale, denominato "kagomene". Pubblicato su Nature Physics, la loro ricerca descrive un nuovo materiale van der Waals con la formula chimica A2T3X4. Questo materiale ultrasottile permette ai ricercatori di isolare bande elettroniche piatte, dove gli elettroni si comportano come se avessero una massa efficace estremamente elevata, all'interno di un singolo strato atomico.
Per identificare questo materiale, i ricercatori hanno condotto uno screening ad alto rendimento sistematico di un database contenente circa 183.000 materiali. Hanno identificato circa 5.300 candidati con strutture a reticolo kagome e li hanno ulteriormente filtrati per trovare quelli tenuti insieme da forze deboli adatte all'esfoliazione meccanica. Dopo aver eseguito calcoli di teoria del funzionale della densità e sintetizzato i candidati più promettenti, sono riusciti a produrre strati atomicamente sottili.
Utilizzando la nano-ARPES, una tecnica che misura gli elettroni rilasciati da un fascio di luce focalizzato, il team ha mappato gli stati elettronici in questi campioni. Hanno confermato la presenza di stati elettronici a banda piatta vicino al livello di Fermi. Kang ha notato che questo sistema basato su kagome 2D raggiunge una densità elettronica a banda piatta più di due ordini di grandezza superiore rispetto ai sistemi esistenti basati su reticoli moiré. Questo aumento significativo è attribuito al fatto che lo stato a banda piatta deriva intrinsecamente dalla geometria unica del reticolo piuttosto che fare affidamento su grandi superreticoli artificiali.
La scoperta offre una piattaforma promettente per esplorare fenomeni quantistici esotici, inclusa la superconduttività non convenzionale e gli stati quantistici frazionari. I calcoli a molti corpi suggeriscono che l'effetto Hall anomalo quantistico frazionario in questo reticolo kagome 2D potrebbe emergere a scale di energia o temperatura un ordine di grandezza superiore rispetto a quelle osservate nei superreticoli moiré attuali. Nello specifico, la scala prevista è compresa tra 14 e 29 meV, rispetto ai 1–5 meV nelle piattaforme esistenti.
Guardando al futuro, il team prevede di sviluppare dispositivi elettricamente regolabili basati su questi reticoli kagome 2D. L'obiettivo è indagare se le forti interazioni elettroniche all'interno della banda piatta possono generare nuovi stati quantistici come il magnetismo o stati topologici frazionari a temperature molto più elevate. Questa prima vera piattaforma kagome 2D apre anche nuove direzioni di ricerca, inclusa la fabbricazione di eterostrutture van der Waals e superstrutture moiré basate su questi reticoli.
Fonti: Phys.org.