Jernselenid afsløret som have-varietet jernbaseret superleder

I pantheonet af ukonventionelle superledere, jern selenid er en rockstjerne. Men nye eksperimenter fra U.S.A. Kinesiske og europæiske fysikere har fundet, at materialets magnetiske persona er uventet hverdagsagtig.

Rice University fysiker Pengcheng Dai, tilsvarende forfatter til en undersøgelse af resultaterne offentliggjort online i denne uge i Naturmaterialer , tilbød denne bundlinjevurdering af jernselenid:"Det er en jernbaseret superleder af havevarianter. Den grundlæggende fysik af superledning svarer til, hvad vi finder i alle de andre jernbaserede superledere."

Denne konklusion er baseret på data fra neutronspredningsforsøg udført i løbet af det seneste år i USA, Tyskland og Storbritannien. Eksperimenterne producerede de første målinger af de dynamiske magnetiske egenskaber af jernselenidkrystaller, der havde gennemgået et karakteristisk strukturelt skift, der opstår, mens materialet afkøles, men før det afkøles til punktet af superledning.

"Jernselenid er fuldstændig forskellig fra alle de andre jernbaserede superledere på flere måder, " sagde Dai, en professor i fysik og astronomi ved Rice og medlem af Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Det har den enkleste struktur, kun består af to elementer. Alle de andre har mindst tre elementer og meget mere kompliceret struktur. Jernselenid er også det eneste, der ikke har nogen magnetisk orden og ingen moderforbindelse."

Dusinvis af jernbaserede superledere er blevet opdaget siden 2008. I hver, jernatomerne danner et 2D-ark, der er klemt mellem øverste og nederste plader, der består af andre elementer. I tilfælde af jernselenid, det øverste og nederste ark er rent selen, men i andre materialer er disse plader lavet af to eller flere elementer. I jernselenid og andre jernbaserede superledere, jernatomer i det centrale 2D-ark er fordelt på skakternet måde, nøjagtig samme afstand fra hinanden i både venstre-højre retning og frem-tilbage retning.

Når materialerne afkøles, de gennemgår et mindre strukturelt skift. I stedet for nøjagtige firkanter, jernatomerne danner aflange romber. Disse er som baseball diamanter, hvor afstanden mellem hjemmeplade og anden base er kortere end afstanden mellem første og tredje base. Og denne ændring mellem jernatomer får de jernbaserede superledere til at udvise retningsafhængig adfærd, som øget elektrisk modstand eller ledningsevne kun i retning af hjem-til-anden eller første-til-tredje.

Fysikere omtaler denne retningsafhængige adfærd som anisotropi eller nematicitet, og mens strukturel nematicitet er kendt for at forekomme i jernselenid, Dai sagde, at det har været umuligt at måle den nøjagtige elektroniske og magnetiske rækkefølge af materialet på grund af en egenskab kendt som twinning. Twinning opstår, når lag af tilfældigt orienterede 2-D krystaller stables. Forestil dig 100 baseball-diamanter stablet oven på hinanden, med linjen mellem hjemmeplade og anden base varierende tilfældigt for hver.

"Selv hvis der er retningsafhængig elektronisk ordre i en tvillingprøve, du kan ikke måle det, fordi disse forskelle går i gennemsnit og du ender med at måle en nettoeffekt på nul, " sagde Dai. "Vi var nødt til at udvinde prøver af jernselenid for at se, om der var nematisk elektronisk orden."

Studie hovedforfatter Tong Chen, et tredje års ph.d. studerende i Dais forskningsgruppe, løste venskabsbyproblemet ved på en klog måde at følge med i en undersøgelse fra 2014, hvor Dai og kolleger lagde pres for at skille krystaller af bariumjernsarsenid. Det var umuligt at anvende den samme metode på jernselenid, fordi krystallerne var 100 gange mindre, så Chen limede de mindre krystaller oven på de større, ræsonnementet om, at det nødvendige tryk for at justere den større prøve også ville få lagene af jernselenid til at klikke på linje.

Chen brugte uger på at skabe adskillige prøver for at teste i neutronspredningsstråler. Omkring 20 til 30 1-millimeters firkanter af jernselenid skulle justeres og placeres oven på hver krystal af bariumjernarsenid. Og at anvende hver af de små firkanter var omhyggeligt arbejde, der involverede et mikroskop, pincet og specielle, brintfri lim, der koster næsten $1, 000 pr ounce.

Arbejdet gav pote, da Chen testede prøverne og fandt ud af, at jernselenidet var afvindet. Disse tests med neutronspredningsstråler ved Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, det tekniske universitet i München og U.K.'s Rutherford-Appleton Laboratory viste også, at jernselenids elektroniske adfærd er meget lig den for andre jernsuperledere.

"Nøglekonklusionen er, at de magnetiske korrelationer, der er forbundet med superledning i jernselenid, er meget anisotrope, ligesom de er i andre jern superledere, " sagde Dai. "Det har været et meget kontroversielt punkt, fordi jern selenid, i modsætning til alle andre jernbaserede superledere, ikke har en moderforbindelse, der udviser antiferromagnetisk orden, hvilket har fået nogle til at antyde, at superledning er opstået i jernselenid på en helt anden måde, end den opstår i disse andre. Vores resultater tyder på, at det ikke er tilfældet. Du behøver ikke en helt ny metode for at forstå det."