Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) chiariscono la causa alla base delle diverse temperature di transizione critiche riportate per i superconduttori di seleniuro di ferro ultrasottile (FeSe). I loro risultati chiariscono perché l'interfaccia tra il primo strato di FeSe e il suo substrato gioca un ruolo essenziale nella superconduttività, fornendo nuove intuizioni in un puzzle di vecchia data in questo campo.

I superconduttori sono materiali che, al di sotto di una certa temperatura, hanno affascinanti proprietà elettromagnetiche. Presentano una resistenza zero, il che significa che conducono elettricità senza perdere energia sotto forma di calore, e può anche respingere completamente i campi magnetici esterni. A causa di tali imprese, i superconduttori sono molto attraenti per gli studi di fisica fondamentale e le applicazioni elettroniche.

Sebbene siano passati quattordici anni da quando sono stati scoperti i superconduttori a base di ferro, gli scienziati sono ancora perplessi sui meccanismi alla base della superconduttività negli strati ultrasottili di seleniuro di ferro (FeSe). Mentre la temperatura di transizione critica (Tc) al di sotto della quale il FeSe bulk si comporta come un superconduttore è di 8 K, sono stati riportati valori significativamente differenti per monostrati di cristalli di FeSe cresciuti uniformemente su un substrato di titanato di stronzio (STO); questi valori vanno da 40 K fino a 109 K.

In un recente studio pubblicato su Lettere di revisione fisica , Il prof. Satoru Ichinokura e i colleghi della Tokyo Tech hanno fatto luce su questo problema. Ichinokura descrive il problema in questione:"Anche se diversi studi indicano che l'interfaccia tra FeSe e STO, o l'area in cui FeSe e STO entrano in contatto, svolge un ruolo essenziale nel potenziamento di Tc, c'è spazio per ulteriori lavori per spiegare con precisione l'origine microscopica di questo comportamento." Inoltre, c'è anche un dibattito in corso sulla profondità alla quale si verifica la superconduttività rispetto allo spessore del film di FeSe.

Per affrontare queste domande, i ricercatori hanno preparato campioni impilando FeSe a spessori che vanno da uno a cinque strati di celle unitarie su un substrato isolante STO. Attraverso misurazioni con sonda a quattro punti nel vuoto, hanno dedotto la resistività (l'inverso della conducibilità) dei campioni a varie temperature ea diverse profondità. Primo, hanno trovato prove certe che le loro misurazioni elettriche corrispondono alla conduzione lungo i film di FeSe, senza l'influenza del substrato STO sottostante. Ma ancora più importante, hanno costantemente osservato un marcato calo di resistività a 40 K (che indica l'inizio della superconduttività; vedi Figura ) indipendentemente dallo spessore dello strato di FeSe. Ichinokura osserva:"Questi risultati suggeriscono inequivocabilmente che la superconduttività ad alta temperatura si trova essenzialmente nell'interfaccia tra FeSe e STO o nel monostrato di FeSe più in basso senza diffondersi a quelli superiori".

Ora, perché altri studi hanno riportato valori di Tc diversi? Dopo aver esaminato attentamente i lavori precedenti, Ichinokura e i suoi colleghi concludono che le differenze nel numero di droganti nel substrato STO o nelle vacanze di ossigeno negli strati subsuperficiali STO sono responsabili della variabilità dei valori di Tc. In alcuni studi precedenti, è probabile che la procedura di fabbricazione impiegata abbia indotto vacanze di ossigeno sulla superficie dello strato STO altrimenti uniforme. In altri, È stato utilizzato STO drogato con impurità di niobio. Queste differenze nel substrato consentono a più portatori di carica (elettroni) di raggiungere l'interfaccia STO/FeSe, che si traduce in una superconduttività prolungata anche a temperature più elevate (in altre parole, aumento di Tc).

Eccitato da questi risultati, Ichinokura conclude:"I nostri risultati indicano fortemente la natura interfacciale della superconduttività bidimensionale osservata in FeSe/STO e riconfermano l'importanza dell'accumulo di carica dal substrato nell'interfaccia. Siamo stati in grado di ottenere nuove informazioni sul puzzle di vecchia data di trovare una bassa Tc di circa 40 K quando si utilizzano substrati STO isolanti invece di quelli conduttivi." Questo studio ci avvicina di un passo alla spiegazione dei misteri riguardanti la superconduttività potenziata.