Elektrisk feltstyret overgang mellem superleder og ferromagnetisk isolator

Højtemperatur (Tc) superledningsevne udvikles typisk fra antiferromagnetiske isolatorer, og superledning og ferromagnetisme udelukker altid hinanden. For nylig, Xianhui Chens gruppe ved University of Science and Technology i Kina observerede en elektrisk feltstyret reversibel overgang fra superleder til ferromagnetisk isolator i (Li, Fe)OHFeSe tynd flage. Dette arbejde tilbyder en unik platform til at studere forholdet mellem superledning og ferromagnetisme i Fe-baserede superledere og kan give et fingerpeg om at forstå elektronparringsmekanismen ud over konventionel elektron-fonon superledning.

Forholdet mellem superledning og magnetisme er nøglen til at forstå elektronparringsmekanismen ud over konventionel elektron-fonon superledning. Styring af magnetismen nær det superledende område kunne forklare de konkurrerende eller sammenflettede elektroniske tilstande i superledende og magnetiske faser. Modulering af bærertæthed via feltelektriske transistorer (FET) er en af ​​de mest effektive måder at manipulere de kollektivt ordnede elektroniske tilstande i fysik af kondenseret stof. Imidlertid, kun bærerkoncentrationen på overfladen af ​​materialer kan indstilles med konventionel gating-teknik, og styring af ladningstætheden i bulken er plaget på grund af Thomas-Fermi-screeningen. For nylig, en ny type FET er blevet udviklet med solid ion conductor (SIC) som gate-dielektrikum. I en sådan SIC-FET, det elektriske felt kan ikke kun indstille bærertætheden til at inducere elektroniske faseovergange, men driver også ioner ind i en krystal for at transformere den fra en krystallinsk fase til en anden.

Ved denne nyudviklede gating-teknik, Xianhui Chens gruppe ved University of Science and Technology i Kina observerede en elektrisk feltstyret reversibel overgang fra superleder til ferromagnetisk isolator i (Li, Fe)OHFeSe tynd flage. Ved at bruge SIC-FET, Li-ioner kan drives ind i eller udvindes fra (Li, Fe)OHFeSe tynd flage ved elektrisk felt. Når Li-ionerne i første omgang drives ind i den tynde flage, Li-ioner erstatter Fe i hydroxidlagene, og Fe-ionerne udstødt af Li kan migrere væk fra hydroxidlagene for at udfylde de ledige pladser i selenidlagene. Når de ledige stillinger er besat, den tynde flage opnår den optimale Tc ~ 43 K. Med yderligere Li-injektion, Fe-ionerne ekstruderet fra hydroxidlagene migrerer til de interstitielle steder, og så bliver de interstitielle Fe-ioner ordnet og fører til sidst til en langrækkende ferromagnetisk orden. Så, en kuppelformet superledende fase med optimal Tc (=43 K) er kontinuerligt indstillet til en ferromagnetisk isolerende fase, som udviser en elektrisk felt-styret kvantekritisk adfærd. Enheden er fremstillet på en solid ionleder, som reversibelt kan manipulere kollektivt ordnede elektroniske tilstande af materialerne og stabilisere nye metastabile strukturer ved elektrisk felt. Dette arbejde baner vejen for adgang til metastabile faser og til at kontrollere strukturel fasetransformation samt fysiske egenskaber af det elektriske felt.

Disse overraskende resultater tilbyder en unik platform til at studere forholdet mellem superledning og ferromagnetisme i Fe-baserede superledere. Dette arbejde demonstrerer også SIC-FET's overlegne ydeevne til at regulere de fysiske egenskaber af lagdelte krystaller og dets potentielle anvendelser til multifunktionelle enheder.