Kemisk potentiel virkning viser sig at afhænge af materialets elektroniske struktur

Det kemiske potentiale er et grundlæggende begreb inden for kondenseret fysik. Selvom de relevante ligninger, der definerer det, kan findes i enhver fysikbog i fysik, dens temperaturafhængighed i systemer, der er gode ledere, er normalt ubetydelig. Som resultat, trods intensiv forskningsinteresse for FeSe, en ukonventionel superleder, der udviser flere ekstraordinære egenskaber, temperaturafhængigheden af ​​det kemiske potentiale er tidligere blevet overset.

I et nyligt papir udgivet som en redaktørs forslag i Fysisk gennemgang B , samarbejde mellem I05 beamline -teamet ved Diamond Light Source og Royal Holloway University of London har vist, at, baseret på de fine detaljer om materialets elektroniske struktur, en væsentlig variation af den kemiske potentielle effekt må forventes. De testede derefter denne hypotese ved hjælp af højopløste vinkelopløste fotoemissionsspektroskopimålinger (ARPES) ved ARPES beamline (I05) ved Diamond, at finde en endnu større effekt eksperimentelt end i deres teoretiske modellering. På den anden side, forskydningen af ​​det kemiske potentiale er den eneste observerede effekt, udelukker et alternativt scenario, hvor de elektroniske bånd udvikler sig kontinuerligt af sig selv som en funktion af temperaturen. Resultaterne har vigtige konsekvenser for forståelsen af ​​FeSes indviklede adfærd, især ved højere temperaturer.

Det kemiske potentiale - altid vigtigt, men nogle gange overset

Elektroner i faste stoffer overholder to grundlæggende regler:For det første kan de ikke dele den samme tilstand som en anden elektron, og for det andet kan de generelt lide at indtage de lavest tilgængelige energistater. Som resultat, elektroner 'fylder' alle tilgængelige tilstande med udgangspunkt i de laveste energitilstande, der er tilgængelige, en elektron pr. stat, op til et niveau, når alle elektronerne er talt. Forskere omtaler det niveau, der adskiller det besatte fra de ubeboede stater som det 'kemiske potentiale'. Ting bliver lidt uklare ved høj temperatur, fordi termiske energisvingninger gør det muligt for elektroner kortvarigt at indtage en tilstand over det kemiske potentiale i henhold til en velkendt sandsynlighedsfordeling, men konceptet med det kemiske potentiale er stadig meget nyttigt, og dukker op overalt i kondenseret fysik (og også kemi, som navnet antyder). Faktisk er temperaturafhængigheden af ​​det kemiske potentiale et vigtigt begreb i halvlederfysik, spiller en afgørende rolle ved bestemmelse af temperaturafhængigheden af ​​prøvens modstand, for eksempel. Men i gode metaller, for eksempel elementært kobber, det kemiske potentiale er stadig en vigtig parameter, men eventuelle ændringer af det kemiske potentiale varierer, da en funktion af temperaturen normalt er ubetydelige.

FeSes unikke egenskaber

I dette studie, forskerne fokuserede på en uventet stærk temperaturafhængighed af det kemiske potentiale i FeSe. Hvorfor FeSe? Kort sagt:det kan virke som et simpelt system med kun to elementer, hvor prøverne er konstrueret af lag af firkantede Fe-Se net, men dens fascinerende egenskaber har tiltrukket interesse fra mange eksperimentelle og teoretiske grupper verden over. FeSe er blevet et testbed for teorier, der påstås at forklare fænomenet ukonventionel og høj temperatur superledning i den bredere familie af jernbaserede superledere. Mens superledningen i normal FeSe kun starter ved 8 grader over det absolutte nul (8 Kelvin, -265 ° C), denne 'kritiske temperatur' kan hæves fire gange ved at klemme den meget tæt (ved 8000 gange atmosfærisk tryk), og er måske så højt som 100 Kelvin (dvs. 100 grader over absolut nul, -173 ° C), når det dyrkes som et enkelt lag på en bestemt måde. Tilbage i de normale prøver af FeSe, det er også blevet vist, at superledningen er stærkt og usædvanligt påvirket af det faktum, at firkantede net faktisk forvrænges lidt til rektangler ved 90 Kelvin (-183 ° C).

Alle disse spændende fysiske egenskaber giver en glimrende motivation til at studere de elektroniske tilstande inde i prøven. Den valgte teknik er vinkelopløst fotoemissionsspektroskopi (ARPES); hvor en intens lysstråle (fotoner) fokuseres på en prøve, som udsender elektroner i henhold til den fotoelektriske effekt, som det blev forstået af Einstein i 1905. Ved at analysere energien og momentumet for elektronerne sparket ud af prøven på denne måde, forskere er i stand til at kortlægge elektronens elektroniske tilladte energi og momentumforhold inde i materialet. Faktisk, målinger i høj opløsning af den elektroniske struktur af FeSe af ARPES ved beamline I05 ved Diamond har tidligere givet flere vigtige eksperimentelle bidrag til forståelsen af ​​dette materiale, især med hensyn til indflydelsen af ​​kvadrat-rektangel-forvrængningen af ​​FeSe-lagene, sker under 90 Kelvin (-183 ° C). Imidlertid, i denne undersøgelse fokuserede forskerne kun på måling i kvadratfasen, fra 100 Kelvin (-173 ° C) op til stuetemperatur (300 Kelvin, 27 ° C).

Stor temperaturafhængighed af det kemiske potentiale forudsagt og observeret i FeSe

Det første trin for forskerne var at bruge de eksperimentelle data opnået ved 100 Kelvin (-173 ° C) til at konstruere en nøjagtig teoretisk model af de elektroniske tilstande i systemet. Dette blev gjort ved hjælp af en 'tæt-bindende model', hvor man betragter elektroner, der sidder på bestemte Fe -steder i gitteret, og derefter tillade dem at 'hoppe' ind på nabosteder. Ved at justere parametrene for modellen, det var muligt at opnå en høj nøjagtighed, sammenlignet med de eksperimentelle resultater. De viste, at denne model forudsagde en stor temperaturafhængighed af det kemiske potentiale.

Grunden til at forvente en stor temperaturafhængighed af det kemiske potentiale er, at mens FeSe er et metal i den forstand, at det kan bære elektriske strømme med en endelig modstand (over den superledende overgangstemperatur), det er langt fra et typisk metal. Faktisk er det kendt, at der er to slags ladningsbærere i systemet, de 'elektronlignende' og 'hullignende' bærere. Disse navne stammer fra elektroners adfærd i faste stoffer:Elektronerne interagerer alle med hinanden, så de er langt fra at vise en fri elektrons adfærd i et vakuum, men man kan ofte bruge en beskrivelse af elektroner med en modificeret 'effektiv masse', med udtrykkene 'elektronlignende' og 'hullignende', der henviser til, om den effektive masse er positiv (dvs. som en fri elektron) eller negativ effektiv masse (et hul).

I FeSe, antallet af 'elektroner' og 'huller' er begrænset til at være ens for at systemet kan blive neutralt ladet samlet. Faktisk skal man være lidt mere præcis end dette:"det kemiske potentiale ved enhver given temperatur vil justere sådan, at de gennemsnitligt gennemsnitlige populationer af elektroner og huller forbliver ens," sagde Luke Rhodes, en fælles ph.d. -studerende mellem Diamond og Royal Holloway, og hovedforfatteren af ​​undersøgelsen. I FeSe er der en naturlig asymmetri mellem elektronen og hullerne; mens elektronerne har masser af tilgængelige tilstande over det kemiske potentiale for elektroner at springe op i med termiske udsving, der er næsten ingen tilgængelige til hullerne. Som et resultat af denne asymmetri, oven i det faktum, at antallet af elektroner og huller er ret lille i FeSe, teoretiske beregninger viste, at stigning i temperaturen ville kræve en væsentlig justering af det kemiske potentiale.

Forskerne vendte sig derefter til ARPES med høj opløsning ved I05 beamline ved Diamond for eksperimentelt at bekræfte denne effekt. Ved hjælp af prøver af høj kvalitet dyrket ved University of Oxford, de målte den elektroniske struktur af FeSe som en funktion af temperaturen fra 100 til 300 Kelvin (-173 ° C til 27 ° C), som ikke tidligere var undersøgt. De observerede direkte en betydelig variation af det kemiske potentiale, hvilket var endnu større end i den teoretiske beregning.

Implikationer for modellering af FeSe

For at forstå de forskellige spændende egenskaber ved FeSe, teoretikere starter ofte med modeller af den elektroniske struktur og undersøger derefter, hvilken slags tendenser og modtagelighed modellen har over for forskellige former for faseovergange. Imidlertid, som fundet i denne undersøgelse, detaljerne i modellen har virkelig betydning. "Vi har vist, at det er vigtigt at starte med en præcis teoretisk model, og vi har også vist, at det kemiske potentiale altid skal tages nøje i betragtning ", sagde Luke Rhodes. Forskergruppen har nu til hensigt at bruge deres model til at undersøge den kvadrat-rektangulære faseovergang af FeSe ved 90 Kelvin (-183 ° C), hvor de har mistanke om, at det kemiske potentiale også kan spille en vigtig rolle.