Nel pantheon dei superconduttori non convenzionali, il seleniuro di ferro è una rock star. Ma nuovi esperimenti da parte degli Stati Uniti, I fisici cinesi ed europei hanno scoperto che la personalità magnetica del materiale è inaspettatamente banale.

Pengcheng Dai, fisico della Rice University, autore corrispondente di uno studio sui risultati pubblicato online questa settimana in Materiali della natura , ha offerto questa valutazione di fondo del seleniuro di ferro:"È un superconduttore a base di ferro da giardino. La fisica fondamentale della superconduttività è simile a quella che troviamo in tutti gli altri superconduttori a base di ferro".

Tale conclusione si basa sui dati degli esperimenti di diffusione di neutroni eseguiti nell'ultimo anno negli Stati Uniti, Germania e Regno Unito. Gli esperimenti hanno prodotto le prime misurazioni delle proprietà magnetiche dinamiche dei cristalli di seleniuro di ferro che hanno subito un caratteristico spostamento strutturale che si verifica quando il materiale viene raffreddato ma prima che venga raffreddato fino al punto di superconduttività.

"Il seleniuro di ferro è completamente diverso da tutti gli altri superconduttori a base di ferro in diversi modi, " disse Dai, professore di fisica e astronomia alla Rice e membro del Centro per i materiali quantistici (RCQM) di Rice. "Ha la struttura più semplice, essendo composto da soli due elementi. Tutti gli altri hanno almeno tre elementi e una struttura molto più complicata. Il seleniuro di ferro è anche l'unico che non ha un ordine magnetico e nessun composto genitore".

Dal 2008 sono state scoperte dozzine di superconduttori a base di ferro. gli atomi di ferro formano un foglio 2-D che è inserito tra i fogli superiore e inferiore costituiti da altri elementi. Nel caso del seleniuro di ferro, i fogli superiore e inferiore sono selenio puro, ma in altri materiali questi fogli sono composti da due o più elementi. Nel seleniuro di ferro e in altri superconduttori a base di ferro, gli atomi di ferro nel foglio centrale 2-D sono distanziati a scacchiera, esattamente la stessa distanza l'uno dall'altro sia nella direzione sinistra-destra che avanti-indietro.

Mentre i materiali si raffreddano, subiscono un leggero spostamento strutturale. Invece di quadrati esatti, gli atomi di ferro formano rombi oblunghi. Questi sono come diamanti da baseball, dove la distanza tra casa base e seconda base è minore della distanza tra prima e terza base. E questo cambiamento tra gli atomi di ferro fa sì che i superconduttori a base di ferro mostrino un comportamento dipendente dalla direzione, come l'aumento della resistenza elettrica o della conduttività solo nella direzione da casa a seconda o da prima a terza.

I fisici si riferiscono a questo comportamento dipendente dalla direzione come anisotropia o nematicità, e mentre è noto che la nematicità strutturale si verifica nel seleniuro di ferro, Dai ha affermato che è stato impossibile misurare l'esatto ordine elettronico e magnetico del materiale a causa di una proprietà nota come gemellaggio. Il gemellaggio si verifica quando vengono impilati strati di cristalli 2-D orientati casualmente. Immagina 100 diamanti da baseball impilati uno sopra l'altro, con la linea tra casa base e seconda base che varia casualmente per ciascuna.

"Anche se esiste un ordine elettronico dipendente dalla direzione in un campione gemellato, non puoi misurarlo perché quelle differenze fanno la media e finisci per misurare un effetto netto pari a zero, "Ha detto Dai. "Abbiamo dovuto sdoppiare i campioni di seleniuro di ferro per vedere se c'era un ordine elettronico nematico."

L'autore principale dello studio Tong Chen, un dottorato di ricerca del terzo anno studente nel gruppo di ricerca di Dai, ha risolto il problema del gemellaggio facendo abilmente sulle spalle uno studio del 2014 in cui Dai e colleghi hanno applicato pressione per sdoppiare i cristalli di arseniuro di ferro di bario. Era impossibile applicare lo stesso metodo al seleniuro di ferro perché i cristalli erano 100 volte più piccoli, così Chen ha incollato i cristalli più piccoli sopra quelli più grandi, ragionando sul fatto che la pressione necessaria per allineare il campione più grande causerebbe anche l'allineamento degli strati di seleniuro di ferro.

Chen ha trascorso settimane a creare diversi campioni da testare nei fasci di diffusione di neutroni. Circa 20-30 quadrati da 1 millimetro di seleniuro di ferro dovevano essere allineati e posti sopra ogni cristallo di arseniuro di ferro di bario. E l'applicazione di ciascuno dei quadratini è stato un lavoro meticoloso che ha coinvolto un microscopio, pinzette e speciali, colla senza idrogeno che costa quasi $ 1, 000 per oncia.

Il lavoro è stato ripagato quando Chen ha testato i campioni e ha scoperto che il seleniuro di ferro era sdoppiato. Quei test con fasci di diffusione di neutroni all'Oak Ridge National Laboratory, l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, anche la Technical University di Monaco e il Rutherford-Appleton Laboratory del Regno Unito hanno mostrato che il comportamento elettronico del seleniuro di ferro è molto simile a quello di altri superconduttori di ferro.

"La conclusione chiave è che le correlazioni magnetiche associate alla superconduttività nel seleniuro di ferro sono altamente anisotrope, proprio come in altri superconduttori di ferro, "Ha detto Dai. "Questo è stato un punto molto controverso, perché il seleniuro di ferro, a differenza di tutti gli altri superconduttori a base di ferro, non ha un composto genitore che mostra un ordine antiferromagnetico, il che ha portato alcuni a suggerire che la superconduttività sia sorta nel seleniuro di ferro in un modo completamente diverso da come si presenta in questi altri. I nostri risultati suggeriscono che non è così. Non hai bisogno di un metodo completamente nuovo per capirlo."