Physicists discover “secret sauce” behind exotic properties of a new quantum material

the latest tech news, global tech news daily, tech news today, startups, usa tech, asia tech, china tech, eu tech, global tech, in-depth electronics reviews, 24h tech news, 24h tech news, top mobile apps, tech news daily, gaming hardware, big tech news, useful technology tips, expert interviews, reporting on the business of technology, venture capital funding, programing language

New work on superconducting kagome metal will aid design of other unusual quantum materials, with many potential applications.

Physics, Superconductors, Materials science and engineering, Quantum computing, Quantum mechanics, Research, Materials Research Laboratory, School of Science, reported

A visualization of the zero-energy electronic states — also known as a “Fermi surface” — from the kagome material studied by MIT’s Riccardo Comin and colleagues Image courtesy of the Comin Laboratory.

MIT physicists and colleagues have discovered the “secret sauce” behind some of the exotic properties of a new quantum material that has transfixed physicists due to those properties, which include superconductivity. Although theorists had predicted the reason for the unusual properties of the material, known as a kagome metal, this is the first time that the phenomenon behind those properties has been observed in the laboratory.

the latest tech news, global tech news daily, tech news today, startups, usa tech, asia tech, china tech, eu tech, global tech, in-depth electronics reviews, 24h tech news, 24h tech news, top mobile apps, tech news daily, gaming hardware, big tech news, useful technology tips, expert interviews, reporting on the business of technology, venture capital funding, programing language

“The hope is that our new understanding of the electronic structure of a kagome metal will help us build a rich platform for discovering other quantum materials,” says Riccardo Comin, the Class of 1947 Career Development Associate Professor of Physics at MIT, whose group led the study. That, in turn, could lead to a new class of superconductors, new approaches to quantum computing, and other quantum technologies.

The work is reported in the Jan. 13 online issue of the journal Nature Physics.

Global Tech News Daily

Classical physics can be used to explain any number of phenomena that underlie our world — until things get exquisitely small. Subatomic particles like electrons and quarks behave differently, in ways that are still not fully understood. Enter quantum mechanics, the field that tries to explain their behavior and resulting effects.

The kagome metal at the heart of the current work is a new quantum material, or one that manifests the exotic properties of quantum mechanics at a macroscopic scale. In 2018 Comin and Joseph Checkelsky, MIT’s Mitsui Career Development Associate Professor of Physics, led the first study on the electronic structure of kagome metals, spurring interest into this family of materials. Members of the kagome metal family are composed of layers of atoms arranged in repeating units similar to a Star of David or sheriff’s badge. The pattern is also common in Japanese culture, particularly as a basket-weaving motif.

Global Tech News Daily

“This new family of materials has attracted a lot of attention as a rich new playground for quantum matter that can exhibit exotic properties such as unconventional superconductivity, nematicity, and charge-density waves,” says Comin.

Unusual properties

Superconductivity and hints of charge density wave order in the new family of kagome metals studied by Comin and colleagues were discovered in the laboratory of Professor Stephen Wilson at the University of California at Santa Barbara, where single crystals were also synthesized (Wilson is a coauthor of the Nature Physics paper). The specific kagome material explored in the current work is made of only three elements (cesium, vanadium, and antimony) and has the chemical formula CsV3Sb5.

The researchers focused on two of the exotic properties that a kagome metal shows when cooled below room temperatures. At those temperatures, electrons in the material begin to exhibit collective behavior. “They talk to each other, as opposed to moving independently,” says Comin.

One of the resulting properties is superconductivity, which allows a material to conduct electricity extremely efficiently. In a regular metal, electrons behave much like people dancing individually in a room. In a kagome superconductor, when the material is cooled to 3 kelvins (about -454 degrees Fahrenheit) the electrons begin to move in pairs, like couples at a dance. “And all these pairs are moving in unison, as if they were part of a quantum choreography,” says Comin.

At 100 K, the kagome material studied by Comin and collaborators exhibits yet another strange kind of behavior known as charge density waves. In this case, the electrons arrange themselves in the shape of ripples, much like those in a sand dune. “They’re not going anywhere; they’re stuck in place,” Comin says. A peak in the ripple represents a region that is rich in electrons. A valley is electron-poor. “Charge density waves are very different from a superconductor, but they’re still a state of matter where the electrons have to arrange in a collective, highly organized fashion. They form, again, a choreography, but they’re not dancing anymore. Now they form a static pattern.”

Comin notes that kagome metals are of great interest to physicists in part because they can exhibit both superconductivity and charge density waves. “These two exotic phenomena are often in competition with one another, therefore it is unusual for a material to host both of them.”

The secret sauce?

But what is behind the emergence of these two properties? “What causes the electrons to start talking to each other, to start influencing each other? That is the key question,” says first author Mingu Kang, a graduate student in the MIT Department of Physics also affiliated with the Max Planck POSTECH Korea Research Initiative. That’s what the physicists report in Nature Physics. “By exploring the electronic structure of this new material, we discovered that the electrons exhibit an intriguing behavior known as an electronic singularity,” Kang says. This particular singularity is named for Léon van Hove, the Belgian physicist who first discovered it.

The van Hove singularity involves the relationship between the electrons’ energy and velocity. Normally, the energy of a particle in motion is proportional to its velocity squared. “It’s a fundamental pillar of classical physics that [essentially] means the greater the velocity, the greater the energy,” says Comin. Imagine a Red Sox pitcher hitting you with a fast ball. Then imagine a kid trying to do the same. The pitcher’s ball would hurt a lot more than the kid’s, which has less energy.

What the Comin team found is that in a kagome metal, this rule doesn’t hold anymore. Instead, electrons traveling with different velocities happen to all have the same energy. The result is that the pitcher’s fast ball would have the same physical effect as the kid’s. “It’s very counterintuitive,” Comin says. He noted that relating the energy to the velocity of electrons in a solid is challenging and requires special instruments at two international synchrotron research facilities: Beamline 4A1 of the Pohang Light Source and Beamline 7.0.2 (MAESTRO) of the Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Lab.

Comments Professor Ronny Thomale of the Universität Würzburg (Germany): “Theoretical physicists (including my group) have predicted the peculiar nature of van Hove singularities on the kagome lattice, a crystal structure made of corner-sharing triangles. Riccardo Comin has now provided the first experimental verification of these theoretical suggestions.” Thomale was not involved in the work.

When many electrons exist at once with the same energy in a material, they are known to interact much more strongly. As a result of these interactions, the electrons can pair up and become superconducting, or otherwise form charge density waves. “The presence of a van Hove singularity in a material that has both makes perfect sense as the common source for these exotic phenomena” adds Kang. “Therefore, the presence of this singularity is the ‘secret sauce’ that enables the quantum behavior of kagome metals.”

The team’s new understanding of the relationship between energy and velocities in the kagome material “is also important because it will enable us to establish new design principles for the development of new quantum materials,” Comin says. Further, “we now know how to find this singularity in other systems.”

Direct feedback

When physicists are analyzing data, most of the time that data must be processed before a clear trend is seen. The kagome system, however, “gave us direct feedback on what’s happening,” says Comin. “The best part of this study was being able to see the singularity right there in the raw data.”

Additional authors of the Nature Physics paper are Shiang Fang of Rutgers University; Jeung-Kyu Kim, Jonggyu Yoo, and Jae-Hoon Park of Max Planck POSTECH/Korea Research Initiative and Pohang University of Science and Technology (Korea); Brenden Ortiz of the University of California, Santa Barbara; Jimin Kim of the Institute for Basic Science (Korea); Giorgio Sangiovanni of the Universität Würzburg (Germany); Domenico Di Sante of the University of Bologna (Italy) and the Flatiron Institute; Byeong-Gyu Park of Pohang Light Source (Korea); Sae Hee Ryu, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick and Eli Rotenberg of Lawrence Berkeley National Laboratory; and Efthimios Kaxiras of Harvard University.

This work was funded by the Air Force Office of Scientific Research, the National Science Foundation, the National Research Foundation of Korea, a Samsung Scholarship, a Rutgers Center for Material Theory Distinguished Postdoctoral Fellowship, the California NanoSystems Institute, the European Union Horizon 2020 program, the German Research Foundation, and it used the resources of the Advanced Light Source, a Department of Energy Office of Science user facility.

News Related

OTHER NEWS

S10 heeft optreden in eerste halve finale achter de rug

Liveblog Read more »

Tweede Kamer stemt in met verhoging maximale straf doodslag naar 25 jaar

De maximale straf voor doodslag wordt waarschijnlijk verhoogd van 15 naar 25 jaar. Een ruime Tweede Kamermeerderheid is daar dinsdag mee akkoord gegaan, de Eerste Kamer moet nog stemmen. Een belangrijke aanleiding voor de hogere strafmaat is het overlijden van de zestienjarige Humeyra. Read more »

Songfestival-update: S10 denkt dat het goed komt en team Portugal compleet

De eerste halve finale van het Eurovisie Songfestival vanavond belooft een waar muziekfestijn te worden. S10 heeft haar nummer inmiddels al op vijf verschillende momenten kunnen zingen op het podium. Ze heeft er alle vertrouwen in dat ze vanavond de top tien weet te bereiken. De zangeressen van Portugal zijn ondertussen vooral blij dat ze weer samen zijn. Mijn naam is Lara Zevenberg en ik praat je bij over deze Songfestival-dag. Read more »

Songfestival-update: S10 denkt dat het goed komt en Portugal toch samen

De eerste halve finale van het Eurovisie Songfestival vanavond belooft een waar muziekfestijn te worden. S10 heeft haar nummer inmiddels al op vijf verschillende momenten kunnen zingen op het podium. Ze heeft er alle vertrouwen in dat ze vanavond de top tien weet te bereiken. De zangeressen van Portugal zijn ondertussen vooral blij dat ze weer samen zijn. Mijn naam is Lara Zevenberg en ik praat je bij over deze Songfestival-dag. Read more »

Reacties na tijdverlies Van der Poel en Dumoulin

Liveblog Giro Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Verdachte van doden Haagse rugbyspeelster zegt zich niets te herinneren

De 42-jarige Ferry T. uit Den Haag zegt zich niets te kunnen herinneren van het doden van een 23-jarige Haagse vrouw waar hij van verdacht wordt. Ook van de momenten daarvoor en daarna weet hij naar eigen zeggen niets meer. Read more »

18 jaar cel en tbs geëist voor doden en in brand steken Haagse rugbyster

Het Openbaar Ministerie (OM) heeft dinsdag een celstraf van achttien jaar en tbs met dwangverpleging geëist tegen Ferry T. (42) uit Den Haag voor het doden van Renée Barendregt. De 23-jarige rugbyster werd in mei vorig jaar gevonden in de bosjes in Scheveningen. Ze was gestoken met een mes en haar lichaam was in brand gestoken. Read more »

Kopgroep strijdt om ritzege en roze, Van der Poel lost uit peloton

Liveblog Giro Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Aandeelhouders Philips stemmen tegen bonussen voor directie

De aandeelhouders van Philips hebben dinsdag op de aandeelhoudersvergadering van het bedrijf tegen bonussen voor de topmensen gestemd. Ze zijn niet te spreken over de financiële resultaten van het afgelopen jaar en het debacle met de slaapapneumachines. Het ging om een adviserende stemming. Philips "neemt de feedback mee", zegt het bedrijf. Read more »

Kopgroep strijdt op ritwinst en roze, Van der Poel in peloton

Liveblog Giro Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Voor het eerst sinds juli 2021 geen nieuwe mensen met corona op intensive care

Op de intensive cares van de Nederlandse ziekenhuizen zijn in het afgelopen etmaal geen nieuwe mensen met het coronavirus opgenomen. Dat is voor het eerst sinds 7 juli vorig jaar, blijkt dinsdag uit cijfers van het Landelijk Coördinatiecentrum Patiënten Spreiding (LCPS). Read more »

Van der Poel is aan de voet van de Etna roze al virtueel kwijt

Liveblog Giro Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Opnieuw minder ziekenhuisopnames en coronabesmettingen

Opnieuw is het aantal mensen dat in het ziekenhuis is opgenomen met een coronabesmetting gedaald. Vorige week werden 259 mensen met COVID-19 opgenomen. Dat is 28 procent minder dan in de week daarvoor (362 opnames). Read more »

Wetenschappers meten door 'monsterbeving' zwaarste schok ooit op Mars

De planeet Mars is vorige week getroffen door een redelijk zware beving. De beving had een kracht van 5.0 en was daarmee de zwaarste schok die ooit op een andere planeet is geregistreerd. Read more »

Geen treinen tussen Utrecht en Amsterdam, ook elders in het land hinder

Tussen Amsterdam en Utrecht is dinsdagochtend geen treinverkeer mogelijk. Dat komt door een aanrijding tussen Abcoude en Breukelen, meldt de NS. Ook elders in het land ondervinden reizigers hinder. Read more »

Carlijn Achtereekte verruilt schaatsploeg voor wielerploeg bij Jumbo-Visma

Carlijn Achtereekte stapt volgende maand bij Jumbo-Visma over van de schaatstak naar de wielerploeg. De olympisch kampioene op de 3.000 meter van 2018 is benieuwd hoe ver ze kan komen in een andere sport. Read more »

Warhol-portret van Marilyn Monroe brengt ruim 184 miljoen euro op bij veiling

Een portret van de Amerikaanse actrice Marilyn Monroe heeft maandag tijdens een veiling van veilinghuis Christie's 195 miljoen dollar (ruim 184 miljoen euro) opgebracht. Andy Warhol is de maker van het werk. Het is de hoogste veilingopbrengst ooit voor een Amerikaans kunstwerk en voor een kunstwerk uit de twintigste eeuw. Read more »

Werkgevers luiden noodklok over financiële situatie: schiet op met herstelfonds

Werkgevers roepen het kabinet op haast te maken met de komst van een herstelfonds voor bedrijven die zijn getroffen door de coronacrisis. Steeds meer ondernemers in vooral de horeca en evenementensector verkeren namelijk in financieel zwaar weer vanwege enorme private en belastingschulden, blijkt uit een rondgang van NU.nl. Read more »

Stijgende huizenprijzen zorgen voor afname financieel risico van hypotheek

Het financiële risico van een hypotheek voor een huis is de afgelopen jaren flink gedaald. De huizenprijzen zijn flink gestegen, terwijl de hypotheken minder snel stegen. Daardoor staan nu veel minder huizen 'onder water', meldt Centraal Bureau voor de Statistiek (CBS). Read more »

IJsheiligen wordt vorstvrij, dus bonenstekjes kunnen al veilig naar buiten

IJsheiligen, de dagen waarin we afscheid kunnen nemen van de vorst, is dit seizoen al warm genoeg om planten in de volle aarde te zetten. De laatste nachtvorst aan de grond was in de nacht van afgelopen zondag op maandag, verwacht Weerplaza. Read more »

Geen officiële oorlogsverklaring, EU-baas moet schuilen

De Russische president Vladimir Poetin heeft maandagochtend tijdens zijn speech op de Dag van de Overwinning geen belangrijke aankondigingen gedaan. Buitenlandminister Wopke Hoekstra bestempelde de speech vooral als "kletskoek". Voorzitter Charles Michel van de raad van Europese regeringsleiders moest op bezoek in Oekraïne schuilen tijdens een Russische raketaanval. Read more »

Zeker één dode en meerdere gewonden door ontspoorde trein bij Wenen

Een ontspoorde trein in de buurt van de Oostenrijkse hoofdstad Wenen heeft aan zeker één persoon het leven gekost. Dat meldt het Oostenrijkse persbureau APA op basis van een woordvoerder van het Oostenrijkse Rode Kruis. Daarnaast raakten enkele mensen gewond. Read more »

Automobilist wordt verdacht van doodslag na ongeluk met twee doden in Alblasserdam

De 24-jarige automobilist die vorige week werd opgepakt na een ongeluk in Alblasserdam waarbij twee jonge vrouwen op een scooter omkwamen, wordt verdacht van doodslag. Dit bevestigt een woordvoerder van het Openbaar Ministerie (OM) na berichtgeving van Rijnmond. De man moet twee weken langer vastzitten, bepaalde de rechter-commissaris maandag. Read more »

Politie zoekt man in verband met doden na woningbrand Geldermalsen

De politie gaat ervan uit dat de twee personen die na een woningbrand in Geldermalsen werden gevonden, slachtoffer zijn geworden van een misdrijf. In verband met het incident wordt "dringend gezocht" naar een man in een zwarte Renault Megane. Read more »

Politie gaat uit van misdrijf bij fatale brand Geldermalsen, zoekt naar man in auto

De politie gaat ervan uit dat de twee personen die na een woningbrand in Geldermalsen werden gevonden, slachtoffer zijn geworden van een misdrijf. In verband met de fatale woningbrand wordt "dringend gezocht" naar een man in een zwarte Renault Megane. De politie roept op deze man niet zelf te benaderen, maar direct 112 te bellen. Read more »

Russische tv-gidsen lieten voor speech van Poetin antioorlogsberichten zien

Digitale televisiegidsen van Russische tv-aanbieders werden maandagochtend gehackt, meldt het Russische persbureau Interfax. Dat gebeurde voordat de Russische president Poetin zijn speech hield. Klanten van aanbieders delen foto's waarop te zien is hoe de tv-gidsen antioorlogsberichten tonen in plaats van de programmering. Read more »

Voormalig Eredivisie-speler Jody Lukoki op 29-jarige leeftijd overleden

Voormalig Eredivisie-speler Jody Lukoki is overleden. De oud-aanvaller van onder meer Ajax, PEC Zwolle en FC Twente was 29 jaar. Read more »

Waterbeheerders nemen meer maatregelen tegen aanhoudende droogte

Rijkswaterstaat en de waterschappen nemen deze week meer maatregelen tegen de droogte. De komende twee weken wordt het namelijk warmer, terwijl er nog steeds nauwelijks regen wordt verwacht. Read more »

Automobilist verdacht van doodslag na ongeluk met twee doden in Alblasserdam

De 24-jarige automobilist die vorige week werd opgepakt na een ongeluk in Alblasserdam waarbij twee jonge vrouwen op een scooter omkwamen, wordt verdacht van doodslag. Dit bevestigt een woordvoerder van het Openbaar Ministerie (OM) na berichtgeving van Rijnmond. De man wordt maandag voorgeleid. Read more »

Stel hier al je vragen over de Europese Unie

Moet de Europese Unie altijd verder integreren? Wat hebben wij eraan als er meer landen bij de EU komen? Hoeveel macht heeft de EU nou eigenlijk? Wat voor vragen heb jij nog over de Europese Unie? Stel ze hier, en dan komt EU-expert Adriaan Schout van het Instituut Clingendael vanaf 13.00 uur de vragen beantwoorden. Read more »

Grote aankondigingen in Poetins speech op Dag van de Overwinning blijven uit

De Russische president Vladimir Poetin heeft maandagochtend geen belangrijke aankondigingen gedaan tijdens zijn speech op de Dag van de Overwinning, de dag waarop Rusland elk jaar de zege op de nazi's in de Tweede Wereldoorlog viert. Read more »

Weerbericht: Na een frisse start in het hele land veel zon

Maandag begint fris. Op sommige plekken kan de temperatuur zelfs dalen tot het vriespunt. Maar overdag schijnt de zon in het hele land uitbundig. Read more »

Nachtelijk daltarief voor stroom wordt steeds onlogischer door zonne-energie

De meeste Nederlanders betalen 's nachts en in het weekend een daltarief voor hun stroomgebruik, maar door de snelle groei van zonne-energie wordt dat steeds minder logisch. Op de groothandelsmarkt voor elektriciteit is de stroomprijs overdag al lager dan in de nacht, blijkt uit een analyse van NU.nl. Read more »

Vier mannen aangehouden voor schietpartij vanuit auto Rotterdam

Op de Geuzenlaan in Rotterdam is zondagavond even voor middernacht vanuit een auto geschoten op een andere wagen. Daarbij is volgens de politie "hoogstwaarschijnlijk" een van de inzittenden gewond geraakt. Read more »

Zeker zestig burgerdoden bij Russisch bombardement op school in Luhansk

Zeker zestig mensen zijn omgekomen bij een Russisch bombardement op een school in het dorp Bilohorivka in de regio Luhansk. Dat bevestigt de Oekraïense president Volodymyr Zelensky in zijn dagelijkse videoboodschap. Ruim negentig burgers gebruikten de school als schuilplek. Read more »

Verstappen houdt Leclerc af in spannende slotfase en wint GP van Miami

Max Verstappen heeft zondag de eerste Formule 1 Grand Prix in Miami gewonnen. De Nederlander hield in een spannende slotfase Charles Leclerc in de Ferrari af en liep zo acht punten in op de WK-leider. Zijn achterstand op de Monegask bedraagt nu nog negentien punten. Read more »

Leclerc weer vlakbij leider Verstappen na safetycar in Miami

Liveblog F1 Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Safety car op de baan na botsing tussen Norris en Gasly

Liveblog F1 Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »

Geen herstel van politieke band Omtzigt en politici na toeslagenschandaal

Tweede Kamerlid Pieter Omtzigt noemt zijn relatie met ministers Kajsa Ollongren (Defensie) en premier Mark Rutte 'moeilijk'. Sinds het toeslagenschandaal zijn er geen gesprekken meer gevoerd om de band tussen de politici te herstellen. Dat zegt Omtzigt zondag in het interviewprogramma College Tour met Twan Huys. Read more »

Verstappen begint van derde plek aan Grand Prix Miami

Liveblog F1 Deze inhoud kan helaas niet worden getoond Wij hebben geen toestemming voor de benodigde cookies. Aanvaard de cookies om deze inhoud te bekijken.Wijzig cookie-instellingen Read more »