Il potenziale chimico è un concetto fondamentale nella fisica della materia condensata. Mentre le equazioni rilevanti che lo definiscono possono essere trovate in qualsiasi libro di testo universitario di fisica, la sua dipendenza dalla temperatura in sistemi che sono buoni conduttori è solitamente insignificante. Di conseguenza, nonostante l'intenso interesse per la ricerca sul FeSe, un superconduttore non convenzionale che esibisce diverse proprietà straordinarie, la dipendenza dalla temperatura del potenziale chimico è stata precedentemente trascurata.

In un recente articolo pubblicato come suggerimento dell'editore in Revisione fisica B , la collaborazione tra il team della linea di luce I05 presso la Diamond Light Source e la Royal Holloway University di Londra ha dimostrato che, sulla base dei dettagli fini della struttura elettronica del materiale, è prevedibile una variazione sostanziale dell'effetto potenziale chimico. Hanno quindi testato questa ipotesi utilizzando misurazioni di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta ad alta risoluzione (ARPES) presso la linea di luce ARPES (I05) a Diamond, trovando un effetto ancora più grande sperimentalmente rispetto alla loro modellazione teorica. D'altra parte, lo spostamento del potenziale chimico è l'unico effetto osservato, escludendo uno scenario alternativo in cui le bande elettroniche evolvono continuamente da sole in funzione della temperatura. I risultati hanno importanti implicazioni per la comprensione dell'intricato comportamento di FeSe, soprattutto a temperature più elevate.

Il potenziale chimico – sempre importante, ma a volte trascurato

Gli elettroni nei solidi obbediscono a due regole fondamentali:in primo luogo non possono condividere lo stesso stato di un altro elettrone, e in secondo luogo a loro piace generalmente occupare gli stati di energia più bassi disponibili. Di conseguenza, gli elettroni "riempiono" tutti gli stati disponibili a partire dagli stati di energia più bassa disponibili, un elettrone per stato, fino a quando tutti gli elettroni sono stati contati. Gli scienziati si riferiscono al livello che separa gli stati occupati da quelli non occupati come "potenziale chimico". Le cose diventano un po' confuse ad alta temperatura, perché le fluttuazioni di energia termica consentono agli elettroni di occupare brevemente uno stato al di sopra del potenziale chimico secondo una ben nota distribuzione di probabilità, ma il concetto di potenziale chimico è ancora molto utile, e compare in tutta la fisica della materia condensata (e anche la chimica, Come suggerisce il nome). Infatti la dipendenza dalla temperatura del potenziale chimico è un concetto importante nella fisica dei semiconduttori, svolgendo un ruolo cruciale nel determinare la dipendenza dalla temperatura della resistenza del campione, ad esempio. Tuttavia nei metalli buoni, per esempio rame elementare, il potenziale chimico è ancora un parametro importante, ma qualsiasi variazione del potenziale chimico varia in funzione della temperatura è solitamente insignificante.

Le proprietà uniche di FeSe

In questo studio, i ricercatori si sono concentrati su una dipendenza dalla temperatura inaspettatamente forte del potenziale chimico del FeSe. Perché FeSe? In breve:può sembrare un semplice sistema con solo due elementi, con i campioni costruiti da strati di reti Fe-Se quadrate, ma le sue affascinanti proprietà hanno attirato l'interesse di molti gruppi sperimentali e teorici in tutto il mondo. FeSe è diventato un banco di prova per teorie che pretendono di spiegare il fenomeno della superconduttività non convenzionale e ad alta temperatura nella più ampia famiglia di superconduttori a base di ferro. Mentre la superconduttività nel normale FeSe entra in gioco solo a 8 gradi sopra lo zero assoluto (8 Kelvin, -265 °C), questa "temperatura critica" può essere quadruplicata premendola molto forte (a 8000 volte la pressione atmosferica), ed è forse fino a 100 Kelvin (cioè 100 gradi sopra lo zero assoluto, -173°C) quando viene allevato come un unico strato in un modo particolare. Tornando ai normali campioni di FeSe, è stato anche dimostrato che la superconduttività è fortemente ed insolitamente influenzata dal fatto che le reti quadrate in realtà si distorcono leggermente in rettangoli a 90 Kelvin (-183°C).

Tutte queste intriganti proprietà fisiche forniscono un'eccellente motivazione per studiare gli stati elettronici all'interno del campione. La tecnica di scelta è la spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta (ARPES); dove un intenso raggio di luce (fotoni) viene focalizzato su un campione, che emette elettroni per effetto fotoelettrico, come fu compreso per la prima volta da Einstein nel 1905. Analizzando l'energia e la quantità di moto degli elettroni espulsi dal campione in questo modo, gli scienziati sono in grado di mappare la relazione consentita tra energia e quantità di moto degli elettroni all'interno del materiale. Infatti, misurazioni ad alta risoluzione della struttura elettronica del FeSe da parte di ARPES alla linea di luce I05 a Diamond hanno precedentemente apportato diversi importanti contributi sperimentali alla comprensione di questo materiale, in particolare per quanto riguarda l'influenza della distorsione quadrato-rettangolo degli strati FeSe, accade sotto i 90 Kelvin (-183°C). Però, in questo studio i ricercatori si sono concentrati sulla misurazione solo nella fase quadrata, da 100 Kelvin (-173°C) fino a temperatura ambiente (300 Kelvin, 27°C).

Grande dipendenza dalla temperatura del potenziale chimico previsto e osservato in FeSe

Il primo passo per i ricercatori è stato utilizzare i dati sperimentali ottenuti a 100 Kelvin (-173°C) per costruire un modello teorico accurato degli stati elettronici nel sistema. Ciò è stato fatto utilizzando un "modello vincolante", dove si considerano gli elettroni che si trovano su particolari siti Fe nel reticolo, e quindi consentire loro di "saltare" su siti vicini. Regolando i parametri del modello, è stato possibile ottenere un alto livello di precisione, rispetto ai risultati sperimentali. Hanno mostrato che questo modello prevedeva una grande dipendenza dalla temperatura del potenziale chimico.

La ragione per aspettarsi una grande dipendenza dalla temperatura del potenziale chimico è che mentre FeSe è un metallo nel senso che può trasportare correnti elettriche con una resistenza finita (al di sopra della temperatura di transizione superconduttiva), è lontano dall'essere un metallo tipico. Infatti è noto che ci sono due tipi di portatori di carica nel sistema, i portatori "simile all'elettrone" e "simile al buco". Questi nomi derivano dal comportamento degli elettroni nei solidi:gli elettroni interagiscono tutti tra loro quindi sono lontani dal manifestare il comportamento di un elettrone libero nel vuoto, ma spesso si può usare una descrizione di elettroni con una "massa effettiva" modificata, con i termini "simile all'elettrone" e "simile a un buco" che si riferiscono al fatto che la massa effettiva sia positiva (cioè come un elettrone libero) o una massa effettiva negativa (un buco).

In FeSe, il numero di 'elettroni' e 'buchi' è vincolato ad essere uguale affinché il sistema sia complessivamente caricato in modo neutro. In realtà bisogna essere un po' più precisi di così:"il potenziale chimico a una data temperatura si regolerà in modo tale che le popolazioni di elettroni e lacune mediate termicamente rimangano uguali" ha detto Luke Rhodes, uno studente di dottorato congiunto tra Diamond e Royal Holloway, e l'autore principale dello studio. In FeSe c'è un'asimmetria naturale tra l'elettrone e le lacune; mentre gli elettroni hanno molti stati disponibili al di sopra del potenziale chimico in cui gli elettroni possono saltare con le fluttuazioni termiche, non ce ne sono quasi disponibili per i fori. A causa di questa asimmetria, oltre al fatto che il numero di elettroni e lacune è piuttosto piccolo in FeSe, calcoli teorici indicavano che l'innalzamento della temperatura avrebbe richiesto un sostanziale aggiustamento del potenziale chimico.

I ricercatori si sono quindi rivolti ad ARPES ad alta risoluzione presso la linea di luce I05 a Diamond per confermare sperimentalmente questo effetto. Utilizzando campioni di alta qualità coltivati ​​presso l'Università di Oxford, hanno misurato la struttura elettronica del FeSe in funzione della temperatura da 100 a 300 Kelvin (da -173°C a 27°C), che non era stato precedentemente studiato. Hanno osservato direttamente una variazione significativa del potenziale chimico, che era ancora più grande che nel calcolo teorico.

Implicazioni per la modellazione FeSe

Per comprendere le varie proprietà intriganti del FeSe, i teorici spesso iniziano con modelli della struttura elettronica e poi indagano sul tipo di tendenze e suscettibilità che il modello ha nei confronti dei diversi tipi di transizioni di fase. Però, come riscontrato in questo studio, i dettagli del modello contano davvero. "Abbiamo dimostrato che è importante partire da un modello teorico accurato, e abbiamo anche dimostrato che il potenziale chimico deve essere sempre preso in considerazione con attenzione", disse Luke Rhodes. Il team di ricerca intende ora utilizzare il proprio modello per studiare la transizione di fase quadrato-rettangolare del FeSe a 90 Kelvin (-183°C), dove sospettano che anche il potenziale chimico possa svolgere un ruolo importante.