Металл кагоме

Металл кагоме (часто металл Кагоме, а также магнит кагоме) — один из типов ферромагнитных квантовых материалов в физике твёрдого тела. Атомная решётка в металле кагоме состоит из многослойных треугольников и больших шестиугольных пустот, что формирует узор, похожий на узор «кагоме» в традиционном японском плетении корзин^[1][2][3][4] (другие известные аналогии - звезда Давида или значок (звезда) шерифа в США)^[5]. Такая геометрия создает плоскую электронную зонную структуру с дираковскими переходами, в которой динамика низкоэнергетических электронов сильно коррелирует^[6].

Электроны в металле кагоме испытывают «трехмерное подобие квантового эффекта Холла»: магнитные эффекты требуют, чтобы электроны текли вокруг треугольников кагоме, что похоже на сверхпроводимость^[6]. Это явление наблюдается во многих материалах при низких температурах и сильном внешнем поле, но, в отличие от сверхпроводимости, известны материалы, в которых этот эффект сохраняется при стандартных условиях^[6][7].

Первым обнаруженным магнитом кагоме, работающим при комнатной температуре и с исчезающим внешним полем, был интерметаллид Fe₃Sn₂, как было показано в 2011 году^[8]. С тех пор было найдено много других металлов кагоме. Магниты кагоме встречаются в различных кристаллических и магнитных структурах, обычно имеющих решетку кагоме из 3d- переходных металлов с постоянной решётки ~ 5,5 Å. В качестве примеров можно назвать антиферромагнетик Mn₃Sn, парамагнетик CoSn, ферримагнетик TbMn₆Sn₆, магнитотвердый ферромагнетик (и полуметалл Вейля) Co₃Sn₂S₂ и магнитомягкий ферромагнетик Fe₃Sn₂. Все известные к 2019 году металлы кагоме содержали тяжелый элемент олово, который обладает сильной спин-орбитальной связью, но потенциальные материалы кагоме, которые в это время находились на стадии изучения, включали магнитно-легированный полуметалл Вейля Co₂MnGa^[9] и класс AV₃Sb₅ (A = Cs, Rb, K)^[10]. Хотя большинство исследований магнитов кагоме было проведено на Fe₃Sn₂, с тех пор было обнаружено, что FeSn на самом деле имеет структуру, которая гораздо ближе к идеальной решётке кагоме^[11].

Решетка кагоме содержит массивные фермионы Дирака, кривизну Берри, запрещённые зоны и спин-орбитальную активность, совокупность которых способствуют эффекту Холла и электрическим токам с нулевыми потерями энергии^[7][12][13]. Такое поведение является многообещающим для развития технологий квантовых вычислений, спиновых сверхпроводников и маломощной электроники^[6][7]. В частности, CsV₃Sb₅ обладает многочисленными экзотическими свойствами, среди которых сверхпроводимость^[14] и топологические состояния^{[15][16][17][18]}. Магнитные скирмионные пузырьки были обнаружены в металлах кагоме в широком диапазоне температур. Например, они наблюдались в Fe₃Zn₂ при ~200-600 К с использованием просвечивающего электронного микроскопа Лоренца (LTEM), но с высоким критическим полем ~0,8 Тл^[19].

Структура «кагоме» придаёт уникальные свойства не только металлическим сплавам, но и графену^[20].

Для тех или иных видов металлов (магнитов) кагоме предсказаны на моделях или обнаружены в натурных экспериментах различные уникальные эффекты и свойства.

• Для тонких плёнок FeSn магнитные свойства формируются не подвижными электронами, которые свободно и хаотически распределены внутри кристаллической решётки, а локализованными, привязанные к определённым атомам решётки^[21][22].
• Нарушение симметрии обращения времени проявляется на поверхности кагоме-сверхпроводника RbV₃Sb₅ при температуре до 175 К (или -98 °C) - ранее подобные эффекты наблюдались при значительно более низких температурах. Так, во всём объёме такого материала нарушение симметрии обращения времени наступает лишь при 60 К (-213 °C)^[23].

• Гербертсмитит — природный магнит кагоме.
• Магнон

• Кагоме-магнетики: как ученые переосмысливают фундамент магнетизма  (неопр.). iXBT.com, (1 ноября 2024). Дата обращения: 2 ноября 2024.
• Александр Дубов. Физики нашли запрещенную зону в металле с решеткой кагоме  (неопр.). N + 1 (20 марта 2018). Дата обращения: 23 августа 2024.
• Иван Рябов. Физики обнаружили «секретный соус» экзотических свойств нового квантового материала. Хотя теоретики ранее уже предсказывали причину необычных свойств материала, известного как металл кагомэ — явление, лежащее в основе этих свойств, наблюдалось в лаборатории впервые.  (неопр.) Хайтек (14 января 2022). Дата обращения: 23 августа 2024.
• Традиционный японский орнамент вдохновил физиков на создание сверхпроводящего кристалла  (неопр.). Indicator (19 марта 2018). Дата обращения: 23 августа 2024.
• Katja Lesser. Validation of superconductor theory: Cooper pairs display wave-like distribution in Kagome metals (англ.). Phys.org (23 августа 2024). Дата обращения: 23 августа 2024.
• University of Würzburg. Kagome Metals Unlocked: A New Dimension of Superconductivity (англ.). SciTechDaily (25 августа 2024). — Kagome metals exhibit superconductivity through a unique wave-like distribution of electron pairs, a discovery that overturns previous assumptions and may lead to the development of novel superconducting components. Дата обращения: 26 августа 2024.
• Прорыв в квантовой физике: уникальная сверхпроводимость металлов Кагоме. Революционное открытие обещает трансформировать технологии от энергетики до вычислений  (неопр.). SecurityLab.ru (26 августа 2023). Дата обращения: 27 августа 2024.
• Zheng, Guolin; Tan, Cheng; Chen, Zheng; Wang, Maoyuan; Zhu, Xiangde; Albarakati, Sultan; Algarni, Meri; Partridge, James; Farrar, Lawrence; Zhou, Jianhui; Ning, Wei; Tian, Mingliang; Fuhrer, Michael S.; Wang, Lan (8 февраля 2023). Electrically controlled superconductor-to-failed insulator transition and giant anomalous Hall effect in kagome metal CsV₃Sb₅ nanoflakes. Nature Communications. 14 (1): 678. doi:10.1038/s41467-023-36208-6.