Questa mappa della struttura a bande per un singolo cristallo di seleniuro di ferro è simile a una mappa stradale che descrive come cambiano le regole del traffico per gli elettroni quando il materiale si raffredda e il reticolo cristallino cambia forma, allungandosi in una direzione. Gli stessi dati sono rappresentati nei pannelli superiore e inferiore. Le aree blu (in alto) mostrano dove possono viaggiare gli elettroni mentre attraversano il paesaggio energetico nel seleniuro di ferro che è stato raffreddato vicino al punto di superconduttività. I percorsi a sinistra del centro sono ad angolo retto rispetto ai percorsi a destra del centro. Grazie alla nematicità, i percorsi consentiti per gli elettroni sono diversi nelle due direzioni. Le linee colorate (in basso) mostrano i percorsi degli elettroni nei diversi orbitali. La superconduttività nel seleniuro di ferro è associata a questo stato di "simmetria rotta", e la mappatura della struttura elettronica dello stato potrebbe portare a una migliore comprensione teorica del fenomeno. Credito:M. Yi/Rice University
Usando una tecnica intelligente che fa scattare in allineamento i cristalli ribelli di seleniuro di ferro, I fisici della Rice University hanno disegnato una mappa dettagliata che rivela le "regole della strada" per gli elettroni sia in condizioni normali che nei momenti critici appena prima che il materiale si trasformi in un superconduttore.
In uno studio online questa settimana sulla rivista dell'American Physical Society Revisione fisica X ( PRX ), il fisico Ming Yi e colleghi offrono una mappa della struttura a bande per il seleniuro di ferro, un materiale che ha lasciato a lungo perplessi i fisici a causa della sua semplicità strutturale e complessità comportamentale. La mappa, che dettaglia gli stati elettronici del materiale, è un riassunto visivo dei dati raccolti dalle misurazioni di un singolo cristallo di seleniuro di ferro mentre è stato raffreddato fino al punto di superconduttività.
Yi ha iniziato gli esperimenti di spettroscopia di fotoemissione ad angolo risolta per lo studio durante un periodo di post-dottorato presso l'Università della California, Berkeley. Gli esperimenti tecnicamente impegnativi hanno utilizzato la potente luce di sincrotrone della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) per convincere il cristallo a emettere elettroni.
"In un senso, queste misurazioni sono come scattare fotografie di elettroni che volano fuori dal materiale, " ha detto. "Ogni fotografia racconta le vite che gli elettroni vivevano prima di essere espulsi dal materiale dai fotoni. Analizzando tutte le foto, possiamo mettere insieme la fisica sottostante che spiega tutte le loro storie".
Telecamere a luci rosse per gli elettroni
Il rivelatore di elettroni ha tracciato sia la velocità che la direzione in cui viaggiavano gli elettroni quando emessi dal cristallo. Quelle informazioni contenevano importanti indizi sulle leggi della meccanica quantistica che dettavano i modelli di traffico a un più ampio, scala microscopica, dove si ritiene che sorgano aspetti chiave della superconduttività.
Queste regole sono codificate nella struttura elettronica di un materiale, ha detto Yi.
"Sono come un'impronta digitale di un materiale, " ha detto. "Ogni materiale ha la sua impronta digitale unica, che descrive gli stati energetici consentiti che gli elettroni possono occupare in base alla meccanica quantistica. La struttura elettronica ci aiuta a decidere, Per esempio, se qualcosa sarà un buon conduttore o un buon isolante o un superconduttore."
Quando le cose vanno male
La resistenza elettrica è ciò che causa i fili, smartphone e computer per riscaldarsi durante l'uso, e costa miliardi di dollari ogni anno in energia persa sulle reti elettriche e bollette di raffreddamento per i data center. Superconduttività, il flusso di elettricità a resistenza zero, potrebbe eliminare questo spreco, ma i fisici hanno faticato a capire e spiegare il comportamento di superconduttori non convenzionali come il seleniuro di ferro.
Yi era alla scuola di specializzazione quando sono stati scoperti i primi superconduttori a base di ferro nel 2008, e ha passato la sua carriera a studiarli. In ognuno di questi, uno strato di ferro dello spessore di un atomo è racchiuso tra altri elementi. A temperatura ambiente, gli atomi in questo strato di ferro sono disposti in quadrati a scacchiera. Ma quando i materiali vengono raffreddati vicino al punto di superconduttività, gli atomi di ferro si spostano e i quadrati diventano rettangolari. Questo cambiamento determina un comportamento dipendente dalla direzione, o nematicità, che si ritiene svolga un ruolo importante ma indeterminato nella superconduttività.
"Il seleniuro di ferro è speciale perché in tutti gli altri materiali a base di ferro, la nematicità appare insieme all'ordine magnetico, " disse Yi. "Se hai due ordini che si formano insieme, è molto difficile dire quale sia più importante, e come ognuno influisce sulla superconduttività. Nel seleniuro di ferro, hai solo nematicità, quindi ci dà un'opportunità unica di studiare come la nematicità contribuisce di per sé alla superconduttività".
Esecuzione sotto pressione
Il risultato della nematicità è che i modelli di traffico degli elettroni - e le regole quantistiche che causano i modelli - possono essere molto diversi per gli elettroni che scorrono da destra a sinistra, lungo l'asse lungo dei rettangoli, che per gli elettroni che fluiscono su e giù lungo l'asse corto. Ma dare uno sguardo chiaro a quei modelli di traffico nel seleniuro di ferro è stato difficile a causa del gemellaggio, una proprietà dei cristalli che fa sì che i rettangoli cambino casualmente l'orientamento di 90 gradi. Gemellaggio significa che i rettangoli dell'asse lungo verranno eseguiti da sinistra a destra per circa la metà del tempo e su e giù per l'altra metà.
Il gemellaggio in seleniuro di ferro ha reso impossibile ottenere chiari, misurazioni dell'intero campione di ordine nematico nel materiale fino a quando i fisici della Rice Pengcheng Dai e Tong Chen hanno pubblicato una soluzione intelligente al problema a maggio. Basandosi su una tecnica di detwinning sviluppata da Dai e colleghi nel 2014, Chen scoprì di poter separare fragili cristalli di seleniuro di ferro incollandoli sopra uno strato più robusto di arseniuro di ferro di bario e ruotando una vite per applicare un po' di pressione. La tecnica fa sì che tutti gli strati nematici nel seleniuro di ferro si incastrino in allineamento.
Dai e Chen erano coautori del documento PRX, e Yi ha affermato che la tecnica di detwinning è stata la chiave per ottenere dati chiari sull'impatto della nematicità sul comportamento elettronico del seleniuro di ferro.
"Questo studio non sarebbe stato possibile senza la tecnica di detwinning sviluppata da Pengcheng e Tong, " Yi ha detto. "Ci ha permesso di dare un'occhiata alle disposizioni degli stati elettronici mentre il sistema materiale si prepara per la superconduttività. Siamo stati in grado di fare affermazioni precise sulla disponibilità di elettroni appartenenti a diversi orbitali che potrebbero partecipare alla superconduttività quando devono essere rispettate le regole nematiche".
Un percorso in avanti
Yi ha affermato che i dati mostrano che l'entità degli spostamenti nematici nel seleniuro di ferro è paragonabile agli spostamenti misurati in superconduttori a base di ferro più complicati che presentano anche un ordine magnetico. Ha detto che suggerisce che la nematicità osservata nel seleniuro di ferro potrebbe essere una caratteristica universale di tutti i superconduttori a base di ferro, indipendentemente dalla presenza di magnetismo a lungo raggio. E spera che i suoi dati permettano ai teorici di esplorare quella possibilità e altre.
"Questo insieme di misurazioni fornirà una guida precisa per i modelli teorici che mirano a descrivere lo stato superconduttore nematico nei superconduttori a base di ferro, " ha detto. "Questo è importante perché la nematicità gioca un ruolo nel determinare la superconduttività in tutti questi materiali".
