Forskere styrer superledningen ved hjælp af spinstrømme

En gruppe forskere fra institutioner i Korea og USA har bestemt, hvordan man anvender en type elektronmikroskopi til at få regioner inden for en jernbaseret superleder til at vende mellem superledende og ikke-superledende stater. Dette studie, udgivet i 1. december udgave af Fysisk gennemgangsbreve , er den første af slagsen, og det åbner en dør til en ny måde at manipulere og lære om superledere på.

De jernbaserede superledere, hvoraf den ene blev undersøgt i dette arbejde, er en af ​​flere klasser af disse fascinerende materialer, som har evnen til at lede elektricitet med stort set nul modstand under en bestemt temperatur. Forskere arbejder stadig på de komplekse detaljer på atomniveau, der ligger til grund for disse materialers elektroniske og magnetiske adfærd. De jernbaserede materialer, i særdeleshed, vides at vise spændende fænomener relateret til co-eksisterende superledende og magnetiske tilstande.

Her, forskere studerede en forbindelse sammensat af strontium (Sr), vanadium (V), ilt (O), jern (Fe), og arsen (As), med en struktur bestående af skiftevis FeAs og Sr ₂ VO ₃ lag. De undersøgte dens magnetiske og elektroniske egenskaber med et spin-polariseret scanningstunnelmikroskop (SPSTM), en enhed, der passerer en atomisk skarp metalspids - kun et par atomer bred - over overfladen af ​​en prøve. Spidsen og prøven rører ikke, men bringes i kvanteskala nærhed til hinanden, så en forspænding, der påføres mellem dem, får en strøm til at strømme mellem spidsen og prøven. I dette tilfælde, strømmen er spin-polariseret, hvilket betyder, at dets elektroner har en tendens til at have det samme spin - det lille magnetfelt båret af en elektron, der peger enten "op" eller "ned", "som en stangmagnet.

Typisk, dette materiales FeAs -lag er stærkt superledende og foretrækker en vis magnetisk orden, kaldet C ₂ bestille, det refererer til, hvordan magnetfelterne i dets atomer (som skyldes, på tur, til elektron -spins) arrangeres. Resultaterne af SPSTM-scanningen viser, at den injicerede spin-polariserede strøm, når den er tilstrækkelig høj, fremkalder en anden magnetisk orden, C ₄ bestille, i FeAs -laget. I det samme lokalområde, superledelse forsvinder på en eller anden måde på magisk vis.

"Så vidt vi ved, vores undersøgelse er den første rapport om en direkte real-space observation af denne type kontrol af en lokal sonde, samt den første demonstration i atomskala af sammenhængen mellem magnetisme og superledning, "sagde avisens tilsvarende forfatter, Jhinhwan Lee, en fysiker ved Korea Advanced Institute of Science and Technology, til Phys.org .

Lee og hans gruppe introducerede nye måder at udføre SPSTM ved hjælp af en antiferromagnetisk kromspids (Cr). En antiferromagnet er et materiale, hvor magnetfelterne i dets atomer er ordnet i et skiftevis opadvendt mønster, så det har et minimalt forvredet magnetfelt, der utilsigtet kan dræbe lokal superledning (som kan ske med ferromagnetiske spidser, såsom Fe -tip, som andre SPSTM -forskere bruger). De sammenlignede disse Cr -tipscanninger med dem, der blev taget med en upolariseret wolframspids (W). Ved lave forspændinger, overfladescanningerne var kvalitativt identiske. Men da spændingen blev øget ved hjælp af Cr -spidsen, overfladen begyndte at ændre sig, afslører C ₄ magnetisk symmetri. C ₄ orden holdt, selv når spændingen blev sænket igen, selvom den blev slettet, når den blev termisk udglødet (varmebehandlet) ud over en specifik temperatur, over hvilken enhver magnetisk orden i FeAs-laget forsvinder.

For at studere forbindelsen mellem C ₄ magnetisk orden og undertrykkelse af superledning, Lee og hans gruppe udførte højopløselige SPSTM-scanninger af C ₄ angiv med Cr -tip og sammenlignet dem med simuleringer. Resultaterne fik dem til at foreslå en mulig forklaring:at lavenergi-spin-udsvingene i C ₄ tilstand kan ikke formidle parring mellem elektroner. Dette er kritisk, fordi denne parring af elektroner, trodser deres naturlige trang til at frastøde hinanden, fører til superledning.

Spin-fluktuationsbaseret parring er en teori om elektronparring i jernbaserede superledere; et andet sæt teorier antager, at udsving i elektronorbitalerne er nøglen. Lee og hans gruppe mener, at deres resultater synes at understøtte førstnævnte, i hvert fald i denne superleder.

"Vores fund kan udvides til fremtidige undersøgelser, hvor magnetisme og superledelse manipuleres ved hjælp af spinpolariserede og upolariserede strømme, der fører til nye antiferromagnetiske hukommelsesenheder og transistorer, der kontrollerer superledning, "sagde Lee.

© 2017 Phys.org