I ricercatori del gruppo Spectroscopy of Quantum Materials del PSI insieme agli scienziati dell'Università Normale di Pechino hanno risolto un enigma in prima linea nella ricerca sui superconduttori a base di ferro:l'origine della nematicità elettronica di FeSe. Utilizzando lo scattering di raggi X anelastico risonante (RIXS) presso la Swiss Light Source (SLS), hanno scoperto che, sorprendentemente, questo fenomeno elettronico è principalmente guidato dallo spin. Si ritiene che la nematicità elettronica sia un ingrediente importante nella superconduttività ad alta temperatura, ma non è ancora noto se aiuti o ostacoli. I loro risultati sono pubblicati su Nature Physics .

Vicino a PSI, dove la foresta svizzera è sempre presente, ci sono spesso cataste di tronchi incredibilmente pulite. I tronchi a forma di cuneo per la legna da ardere sono impilati con cura nel senso della lunghezza, ma con poca attenzione alla loro rotazione. Quando le particelle in un materiale si allineano spontaneamente, come i tronchi in queste pile di tronchi, in modo tale da rompere la simmetria rotazionale ma preservare la simmetria traslazionale, si dice che un materiale è in uno stato nematico. In un cristallo liquido, ciò significa che le molecole a forma di bastoncino sono in grado di fluire come un liquido nella direzione del loro allineamento, ma non in altre direzioni. La nematicità elettronica si verifica quando gli orbitali degli elettroni in un materiale si allineano in questo modo. Tipicamente, questa nematicità elettronica si manifesta come proprietà elettroniche anisotrope:ad esempio, resistività o conducibilità che esibiscono grandezze molto diverse se misurate lungo assi diversi.

Dalla loro scoperta nel 2008, l'ultimo decennio ha visto un enorme interesse per la famiglia dei superconduttori a base di ferro. Accanto ai ben studiati superconduttori cuprati, questi materiali esibiscono il misterioso fenomeno della superconduttività ad alta temperatura. Lo stato nematico elettronico è una caratteristica onnipresente dei superconduttori a base di ferro. Eppure, fino ad ora, l'origine fisica di questa nematicità elettronica è un enigma; in effetti, probabilmente uno degli enigmi più importanti nello studio dei superconduttori a base di ferro.

Ma perché la nematicità elettronica è così interessante? La risposta sta nell'enigma sempre eccitante:capire come gli elettroni si accoppiano e raggiungono la superconduttività alle alte temperature. Le storie della nematicità elettronica e della superconduttività sono indissolubilmente legate, ma esattamente come, e in effetti se competono o cooperano, è una questione molto dibattuta.

La spinta a comprendere la nematicità elettronica ha portato i ricercatori a rivolgere la loro attenzione a un particolare superconduttore a base di ferro, il seleniuro di ferro (FeSe). FeSe è in qualche modo un enigma, poiché possiede contemporaneamente la struttura cristallina più semplice di tutti i superconduttori a base di ferro e le proprietà elettroniche più sconcertanti.

FeSe entra nella sua fase superconduttrice al di sotto di una temperatura critica (T_c ) di 9 K ma vanta allettantemente un T_c sintonizzabile , il che significa che questa temperatura può essere sollevato applicando pressione o drogando il materiale. Il materiale stratificato quasi 2D possiede una fase nematica elettronica estesa, che appare al di sotto di circa 90 K. Curiosamente, questa nematicità elettronica appare senza l'ordine magnetico a lungo raggio con cui normalmente andrebbe di pari passo, portando a un vivace dibattito sulle sue origini :vale a dire, se questi sono guidati da gradi di libertà orbitali o di spin. L'assenza di ordine magnetico a lungo raggio in FeSe offre l'opportunità di avere una visione più chiara della nematicità elettronica e della sua interazione con la superconduttività. Di conseguenza, molti ricercatori ritengono che il FeSe possa essere la chiave per comprendere il puzzle della nematicità elettronica nella famiglia dei superconduttori a base di ferro.

Misurazione delle anisotropie di eccitazione dello spin con lo scattering di raggi X anelastico risonante (RIXS)

Per determinare l'origine della nematicità elettronica di FeSe, gli scienziati del Spectroscopy of Quantum Materials Group del PSI si sono rivolti alla tecnica dello scattering di raggi X anelastico risonante (RIXS) presso la linea di luce ADRESS della Swiss Light Source (SLS). Combinando i principi dell'assorbimento dei raggi X e delle spettroscopie di emissione, questa tecnica è uno strumento altamente efficiente per esplorare le eccitazioni magnetiche o di spin di un materiale.

"In PSI disponiamo di una delle configurazioni più avanzate al mondo per RIXS. Tra i primi a spingere questa tecnica 15 anni fa, ora abbiamo creato una struttura molto ben sviluppata per questo tipo di esperimenti", spiega Thorsten Schmitt , che ha condotto lo studio insieme a Xingye Lu della Beijing Normal University. "In particolare, le caratteristiche della radiazione di sincrotrone dovute al design dell'anello SLS sono ideali per la gamma di raggi X morbidi in cui sono stati eseguiti questi esperimenti."

Per studiare le anisotropie di spin di FeSe usando RIXS, gli scienziati dovevano prima superare un ostacolo pratico. Per misurare il comportamento nematico anisotropo, il campione doveva prima essere "svincolato". Il gemellaggio si verifica quando i cristalli in strati sovrapposti sono allineati con la stessa probabilità lungo direzioni arbitrarie, nascondendo così qualsiasi informazione sul comportamento anisotropo. Il detwinning è una tecnica di preparazione del campione cristallografica comune, in cui in genere viene applicata una pressione al campione che fa sì che i cristalli si allineino lungo le direzioni strutturali.

Per FeSe, questo non funziona. Applica questa pressione su FeSe e il materiale morbido si deforma semplicemente o si rompe. Pertanto, il team ha utilizzato un metodo di detwinning indiretto, in base al quale FeSe è incollato a un materiale che può essere detwinned:arseniuro di ferro bario (BaFe₂ Come₂ ). "Quando applichiamo una pressione uniassiale a BaFe₂ Come₂ , questo genera una deformazione di circa lo 0,36%, che è appena sufficiente per detwin FeSe allo stesso tempo", spiega Xingye Lu, che in precedenza aveva dimostrato la sua fattibilità insieme a Tong Chen e Pengcheng Dai della Rice University per studi di FeSe con neutroni anelastici dispersione.

Esperimenti di scattering di neutroni anelastici avevano rivelato anisotropie di spin in FeSe a bassa energia; ma misura alta -eccitazioni di spin di energia, erano essenziali per collegare queste fluttuazioni di spin alla nematicità elettronica. La misurazione delle eccitazioni di spin su una scala energetica di circa 200 meV, ben al di sopra della separazione energetica tra i livelli di energia orbitale, consentirebbe di escludere i gradi di libertà orbitali come fonte della nematicità elettronica. Con il successo del detwinning, i ricercatori potrebbero sondare le cruciali eccitazioni di spin ad alta energia di FeSe e anche BaFe₂ Come₂ , utilizzando RIXS.

I ricercatori hanno studiato l'anisotropia di spin nella direzione del legame Fe-Fe. Per giudicare l'anisotropia di spin, il team ha misurato le eccitazioni di spin lungo due direzioni ortogonali e ha confrontato le risposte. Eseguendo misurazioni a temperatura crescente, il team ha potuto determinare la temperatura critica alla quale il comportamento nematico è scomparso e confrontare le osservazioni delle anisotropie di spin con le anisotropie elettroniche, osservate attraverso misurazioni della resistività.

I ricercatori hanno prima misurato il BaFe₂ svincolato Come₂ , che ha una struttura di spin anisotropa ben caratterizzata e un ordine magnetico a lungo raggio e lo ha utilizzato come riferimento. Le misurazioni della risposta di eccitazione di spin lungo le due direzioni ortogonali hanno mostrato una chiara asimmetria:la manifestazione della nematicità.

Il team ha quindi eseguito lo stesso esperimento in FeSe svincolato. Nonostante la mancanza di ordinamento magnetico, hanno osservato un'anisotropia di spin molto forte rispetto ai due assi. "Straordinariamente, potremmo rivelare un'anisotropia di spin paragonabile, se non maggiore, a quella del già altamente anisotropo BaFe₂ Come₂ ", afferma Xingye Lu. "Questa anisotropia di spin diminuisce all'aumentare della temperatura e scompare intorno alla temperatura di transizione nematica, la temperatura alla quale il materiale cessa di essere in uno stato nematico elettronico."

L'origine della nematicità elettronica in FeSe:verso una migliore comprensione del comportamento elettronico nei superconduttori a base di ferro

La scala energetica delle eccitazioni di spin di circa 200 meV, che è molto più alta della separazione tra i livelli orbitali, dimostra che la nematicità elettronica in FeSe è principalmente guidata dallo spin. "Questa è stata una grande sorpresa", spiega Thorsten Schmitt. "Potremmo ora stabilire il collegamento tra la nematicità elettronica, che si manifesta come resistività anisotropa, con la presenza di nematicità nelle eccitazioni di spin".

Ma cosa significano questi risultati? L'interazione tra magnetismo, nematicità elettronica e superconduttività è una questione chiave nei superconduttori non convenzionali. Si ritiene che le fluttuazioni quantistiche della nematicità elettronica possano promuovere la superconduttività ad alta temperatura nei superconduttori a base di ferro. Questi risultati forniscono una visione a lungo ricercata del meccanismo della nematicità elettronica in FeSe. Ma più in generale, aggiungono un pezzo importante al puzzle per comprendere il comportamento elettronico nei superconduttori a base di ferro e, in definitiva, come questo si collega alla superconduttività. I prossimi passi saranno scoprire se il comportamento nematico elettronico guidato dallo spin persiste in altri membri della famiglia dei superconduttori a base di ferro e, inoltre, se i sospetti che possa sorgere lungo altre direzioni rispetto all'asse del legame Fe-Fe sono corretti. + Esplora ulteriormente

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