奇异量子效应将驱动未来电子器件

笼目金属以其角共享三角形组成的二维晶格为特征，最近被预测可承载紧凑分子轨道或电子驻波模式，这些模式可能促进非常规超导性和可通过电子关联效应激活的新颖磁序。在大多数材料中，这些平带距离活性能级过于遥远而无法产生显著影响；然而，在 CsCr₃Sb₅ 中，它们积极参与并直接影响材料的性质。

莱斯大学物理与天文系和斯莫利-库尔研究所的戴鹏程、易茗与斯其苗，以及台湾地区同步辐射研究中心的黄迪菁共同领导了这项研究。

"我们的结果证实了一个惊人的理论预测，并确立了通过化学和结构调控来设计奇异超导性的途径，" 物理与天文学系萨姆和赫伦·沃登讲座教授戴鹏程说道。

该发现为仅存在于理论模型中的观点提供了实验证据。它还展示了如何利用笼目晶格的复杂几何结构作为设计工具来控制固体中电子的行为。

"通过识别活性平带，我们证明了晶格几何结构与涌现量子态之间的直接联系，" 物理与天文学系副教授易茗表示。

研究团队采用了两种先进的同步辐射技术并结合理论建模来研究活性电子驻波模式的存在。他们使用角分辨光电子能谱 (ARPES) 对同步辐射光激发下发射的电子进行成像，揭示了与紧凑分子轨道相关的独特特征。共振非弹性X射线散射 (RIXS) 则测量了与这些电子模式相关的磁激发。

"我们合作团队的 ARPES 和 RIXS 结果给出了一致的图像：这里的平带并非被动的旁观者，而是塑造磁性和电子景观的积极参与者，" 物理与天文学系哈里·C·威斯和奥尔加·K·威斯讲座教授斯其苗说，"考虑到在此之前我们只能在抽象的理论模型中看到此类特征，这一发现令人惊叹。"

通过分析基于定制电子晶格模型的强关联效应，研究获得了理论支持，该模型复制了观测到的特征并指导了结果的解释。赖斯学院初级研究员、共同第一作者谢芳领导了这部分研究。

赖斯大学研究生、共同第一作者王泽昊表示，获得如此精确的数据需要异常大且纯净的 CsCr₃Sb₅ 晶体，这些晶体采用经过优化的方法合成，样品尺寸达到了以往努力的 100 倍。

赖斯大学研究生、共同第一作者郭玉成领导了 ARPES 工作，他表示这项工作突显了跨学科研究的潜力。

"这项研究得益于包含材料设计、合成、电子与磁谱学表征以及理论的合作，" 郭玉成说。

来自赖斯大学的合著者包括黄越飞、高斌、吴智燮、吴晗、任正、方原、王一鸣、阿南亚·比斯瓦斯、张奕辰、岳子钦、鲍里斯·雅各布森和大河内淳一郎。

其他贡献者包括台湾地区同步辐射研究中心的黄筱瑜、岡本淳、Ganesha Channagowdra、藤森淳和陈建德；北京师范大学的卢兴杰；华盛顿大学的刘钊宇和朱俊效；劳伦斯伯克利国家实验室的胡成、Chris Jozwiak、亚伦·博斯特威克和伊莱·罗滕贝格；SLAC国家加速器实验室的桥本真和吕东辉；加州大学伯克利分校的罗伯特·伯根；以及浙江大学的曹光旱。

本研究获得了美国能源部、罗伯特·A·韦尔奇基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会、空军科学研究办公室、国家科学基金会和范内瓦·布什教授奖学金计划的支持。