Schaltbare elektronische Chiralität in einem Kagome-Supraleiter entdeckt

Die Chiralität ist eine der grund­legendsten geometrischen Eigen­schaften und spielt in der Biologie, Chemie und Physik eine besondere Rolle. In der Material­wissen­schaft unter­scheidet man zwischen Kristallen, bei denen die periodische Anordnung der Atome chiral ist oder nicht. Ist sie chiral, müssen sich auch die darin fließenden Elektronen und elektrischen Ströme irgendwie von ihrem Spiegelbild unterscheiden – eine Eigenschaft, die zu exotischen Reaktionen und neuen Anwendungen führen kann. Ein Beispiel hierfür ist ein dioden­ähnlicher Effekt, bei dem die elektrischen Ströme, die von links nach rechts fließen, sich von denen unter­scheiden, die von rechts nach links fließen. Diese Eigenschaft wird als elektronische magneto­chirale Anisotropie bezeichnet. Bislang wurde dieses Phänomen nur in strukturell chiralen Kristallen beobachtet. Jetzt hat ein inter­nationales Forschungs­team erstmals einen chiralen Transports in einem strukturell achiralen Kristall, dem Kagome-Supraleiter CsV₃Sb₅, beobachtet.

Wenn die Anordnung der Atome im Kristall genau dieselbe ist wie in ihrem Spiegelbild, wie ist es dann möglich, dass dies nicht auf seine Elektronen zutrifft? Es muss ein neuartiger Mechanismus im Spiel sein, der über einen einfachen Formeffekt hinausgeht. Im Gegensatz zur struktu­rellen Chiralität, die in einem Kristall fest verankert ist, kann diese neue elektronische Chiralität durch Magnet­felder umgeschaltet werden. Solch eine schaltbare Chiralität wurde noch nie zuvor beobachtet und könnte für zukünftige Techno­logien eine wichtige Rolle spielen.

Dieses ungewöhn­liche Verhalten hängt direkt mit den starken elektro­nischen Wechsel­wirkungen zusammen. Die Forscher schlagen ein Modell vor, bei dem sich die Elektronen in Mustern anordnen, die nicht der Spiegel­symmetrie entsprechen, obwohl die Atome symmetrisch angeordnet sind. CsV₃Sb₅ ist bereits für viele wechsel­wirkende elektronische Strukturen bekannt, wie zum Beispiel die Bildung einer unkonven­tio­nellen chiralen Ladungs­ordnung mit einer interes­santen Ladungs­modulation. Diese chiralen elektro­nischen Strukturen können spontan rotieren und damit ein Magnetfeld erzeugen.

CsV₃Sb₅ präsentiert sich als hervor­ragendes Material für die Unter­suchung korre­lierter Quanten­phänomene und liefert zugleich das erste Beispiel für schaltbare elektronische Chiralität. Zu den nächsten Schritten gehört die Erweiterung des Nutzungs­bereichs von der Tiefst- auf die Raum­temperatur und die Verbesserung des Ausmaßes dieser Reaktion. Wechsel­wirkende Systeme auf geometrisch frustrierten Gittern bergen großes Potenzial für die Zukunft.

MPISD / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  C. Guo et al.: Switchable chiral transport in charge-ordered kagome metal CsV₃Sb₅, Nature, online 12. Oktober 2022; DOI: 10.1038/s41586-022-05127-9
• Abt. Mikrostrukturierte Quantenmaterie, Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie, Hamburg