La punta di cromo polarizzata con spin (Cr) viene scansionata sull'area superconduttiva di C 2 magnetismo, rappresentato sullo sfondo (le aree destra e in basso dell'immagine) con coppie di elettroni mostrate come sfere rosse accoppiate. Appena sotto la punta, la corrente polarizzata in spin induce localmente C 4 ordine antiferromagnetico (illustrato con placchette gialle e blu), che rimane stabile come mostrato registrato nella traccia della punta a sinistra. D'altra parte, il C 4 l'ordine può essere cancellato quando l'area viene trattata termicamente oltre una specifica temperatura più alta. Poiché le fluttuazioni di spin per questo C 4 l'ordine non può supportare l'accoppiamento di elettroni nella tipica struttura a bande FeAs, la superconduttività è soppressa, come illustrato con le coppie di elettroni spezzate nella regione della piastrina. Credito:Jhinhwan Lee
Un gruppo di ricercatori di istituzioni in Corea e negli Stati Uniti ha determinato come impiegare un tipo di microscopia elettronica per far sì che le regioni all'interno di un superconduttore a base di ferro cambino tra stati superconduttori e non superconduttori. Questo studio, pubblicato nell'edizione del 1 dicembre di Lettere di revisione fisica , è il primo del suo genere, e apre le porte a un nuovo modo di manipolare e conoscere i superconduttori.
I superconduttori a base di ferro, uno dei quali è stato studiato in questo lavoro, sono una delle tante classi di questi affascinanti materiali, che hanno la capacità di condurre elettricità con resistenza praticamente nulla al di sotto di una certa temperatura. Gli scienziati stanno ancora elaborando i complessi dettagli a livello atomico che sono alla base dei comportamenti elettronici e magnetici di questi materiali. I materiali a base di ferro, in particolare, sono noti per mostrare fenomeni intriganti legati alla coesistenza di stati superconduttori e magnetici.
Qui, ricercatori hanno studiato un composto composto da stronzio (Sr), vanadio (V), ossigeno (O), ferro (Fe), e arsenico (As), con una struttura composta da FeAs e Sr . alternati 2 VO 3 strati. Hanno sondato le sue proprietà magnetiche ed elettroniche con un microscopio a effetto tunnel polarizzato con spin (SPSTM), un dispositivo che fa passare una punta metallica atomicamente affilata – larga solo pochi atomi – sulla superficie di un campione. La punta e il campione non si toccano ma vengono portati in prossimità dell'altro su scala quantistica in modo che una tensione di polarizzazione applicata tra di loro provochi il flusso di corrente tra la punta e il campione. In questo caso, la corrente è polarizzata in spin, il che significa che i suoi elettroni tendono ad avere lo stesso spin - il minuscolo campo magnetico trasportato da un elettrone che punta "su" o "giù, "come un magnete a barra.
Tipicamente, lo strato di FeAs di questo materiale è fortemente superconduttore e preferisce un certo ordine magnetico, doppiato C 2 ordine, che si riferisce a come i campi magnetici dei suoi atomi (che sono dovuti, a sua volta, agli spin elettronici) sono disposti. I risultati della scansione SPSTM mostrano che la corrente polarizzata con spin iniettata, quando sufficientemente alto, induce un diverso ordine magnetico, C 4 ordine, nello strato FeAs. In quello stesso territorio, la superconduttività in qualche modo scompare magicamente.
"Per quello che ci risulta, il nostro studio è il primo resoconto di un'osservazione diretta nello spazio reale di questo tipo di controllo da parte di una sonda locale, nonché la prima dimostrazione su scala atomica della correlazione tra magnetismo e superconduttività, " ha detto l'autore corrispondente del giornale, Jhinhwan Lee, un fisico presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology, a Phys.org .
Lee e il suo gruppo hanno introdotto nuovi modi per eseguire SPSTM utilizzando una punta antiferromagnetica in cromo (Cr). Un antiferromagnete è un materiale in cui i campi magnetici dei suoi atomi sono ordinati in uno schema alternato su-giù in modo tale da avere un campo magnetico vagante minimo che può inavvertitamente uccidere la superconduttività locale (cosa che può accadere con punte ferromagnetiche, come punte Fe, utilizzati da altri ricercatori SPSTM). Hanno confrontato queste scansioni con punta in Cr con quelle effettuate con una punta in tungsteno (W) non polarizzata. A basse tensioni di polarizzazione, le scansioni della superficie erano qualitativamente identiche. Ma poiché la tensione è stata aumentata usando la punta Cr, la superficie iniziò a cambiare, rivelando il C 4 simmetria magnetica. il C 4 ordine mantenuto anche quando la tensione è stata abbassata di nuovo, sebbene sia stato cancellato quando è stato ricotto termicamente (trattato termicamente) oltre una temperatura specifica al di sopra della quale scompare qualsiasi ordine magnetico nello strato di FeAs.
Per studiare la connessione tra il C 4 ordine magnetico e soppressione della superconduttività, Lee e il suo gruppo hanno eseguito scansioni SPSTM ad alta risoluzione del C 4 stato con punte di Cr e confrontati con simulazioni. I risultati li hanno portati a suggerire una possibile spiegazione:che le fluttuazioni di spin a bassa energia nel C 4 lo stato non può mediare l'accoppiamento tra gli elettroni. Questo è fondamentale perché questo accoppiamento di elettroni, sfidando il loro naturale bisogno di respingersi a vicenda, porta alla superconduttività.
L'accoppiamento basato sulla fluttuazione di spin è una teoria dell'accoppiamento di elettroni nei superconduttori a base di ferro; un'altra serie di teorie presuppone che le fluttuazioni negli orbitali degli elettroni siano la chiave. Lee e il suo gruppo credono che i loro risultati sembrino supportare il primo, almeno in questo superconduttore.
"I nostri risultati possono essere estesi a studi futuri in cui il magnetismo e la superconduttività vengono manipolati utilizzando correnti spin-polarizzate e non polarizzate, portando a nuovi dispositivi di memoria antiferromagnetica e transistor che controllano la superconduttività, " ha detto Lee.
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