Elektronisk kort afslører færdselsregler i superleder

Ved at bruge en smart teknik, der får uregerlige krystaller af jernselenid til at klikke på linje, Rice University-fysikere har tegnet et detaljeret kort, der afslører "vejreglerne" for elektroner både under normale forhold og i de kritiske øjeblikke lige før materialet omdannes til en superleder.

I en undersøgelse online i denne uge i tidsskriftet American Physical Society Fysisk gennemgang X ( PRX ), fysiker Ming Yi og kolleger tilbyder et båndstrukturkort for jernselenid, et materiale, der længe har undret fysikere på grund af dets strukturelle enkelthed og adfærdsmæssige kompleksitet. Kortet, som beskriver materialets elektroniske tilstande, er en visuel oversigt over data indsamlet fra målinger af en enkelt krystal af jernselenid, da den blev afkølet til superledningspunktet.

Yi begyndte de vinkelopløste fotoemissionsspektroskopi-eksperimenter til undersøgelsen under en postdoc ved University of California, Berkeley. De teknisk udfordrende eksperimenter brugte kraftigt synkrotronlys fra Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til at lokke krystallen til at udsende elektroner.

"I en vis forstand, disse målinger er som at tage billeder af elektroner, der flyver ud af materialet, " sagde hun. "Hvert fotografi fortæller de liv, elektronerne levede lige før de blev sparket ud af materialet af fotoner. Ved at analysere alle billederne, vi kan sammensætte den underliggende fysik, der forklarer alle deres historier."

Rødt lys kameraer til elektroner

Elektrondetektoren sporede både hastigheden og retningen, som elektroner bevægede sig, når de blev udsendt fra krystallen. Denne information indeholdt vigtige spor om de kvantemekaniske love, der dikterede trafikmønstrene på et større, mikroskopisk skala, hvor nøgleaspekter af superledning menes at opstå.

Disse regler er kodet i et materiales elektroniske struktur, sagde Yi.

"De er som et elektronisk fingeraftryk af et materiale, " sagde hun. "Hvert materiale har sit eget unikke fingeraftryk, som beskriver de tilladte energitilstande elektroner kan optage baseret på kvantemekanik. Den elektroniske struktur hjælper os med at beslutte, for eksempel, om noget vil være en god leder eller en god isolator eller en superleder."

Når tingene går sidelæns

Elektrisk modstand er det, der forårsager ledninger, smartphones og computere til at varme op under brug, og det koster milliarder af dollars hvert år i tabt strøm på elnet og køleregninger til datacentre. Superledningsevne, nul-modstand strøm af elektricitet, kunne fjerne det spild, men fysikere har kæmpet for at forstå og forklare adfærden af ​​ukonventionelle superledere som jernselenid.

Yi gik på efterskole, da de første jernbaserede superledere blev opdaget i 2008, og hun har brugt sin karriere på at studere dem. I hver af disse, et atomtykt lag jern er klemt mellem andre grundstoffer. Ved stuetemperatur, atomerne i dette jernlag er arrangeret i skakternet firkanter. Men når materialerne afkøles nær superledningspunktet, jernatomerne forskydes og firkanterne bliver rektangulære. Denne ændring medfører retningsafhængig adfærd, eller nematicitet, som menes at spille en vigtig, men ubestemt rolle i superledning.

"Jernselenid er specielt, fordi i alle de andre jernbaserede materialer, nematicitet vises sammen med magnetisk orden, " sagde Yi. "Hvis du har to ordrer, der dannes sammen, det er meget svært at sige, hvad der er vigtigst, og hvordan hver enkelt påvirker superledning. I jern selenid, du har kun nematicitet, så det giver os en unik chance for at studere, hvordan nematicitet i sig selv bidrager til superledning."

Optræde under pres

Resultatet af nematicitet er, at elektronernes trafikmønstre - og kvantereglerne, der forårsager mønstrene - kan være helt anderledes for elektroner, der flyder fra højre mod venstre, langs rektanglers lange akse, end for elektronerne, der flyder op-og-ned langs den korte akse. Men at få et klart blik på disse trafikmønstre i jernselenid har været udfordrende på grund af venskabsbyer, en egenskab ved krystallerne, der får rektanglerne til tilfældigt at ændre orientering med 90 grader. Twinning betyder, at langaksede rektangler vil løbe fra venstre mod højre omkring halvdelen af ​​tiden og op-og-ned den anden halvdel.

Twinning i jernselenid gjorde det umuligt at opnå klar, helprøvemålinger af nematisk orden i materialet, indtil risfysikerne Pengcheng Dai og Tong Chen offentliggjorde en smart løsning på problemet i maj. Bygger på en detwinning-teknik udviklet af Dai og kolleger i 2014, Chen fandt ud af, at han kunne afvinde skrøbelige krystaller af jernselenid ved at lime dem oven på et mere robust lag bariumjernsarsenid og dreje en skrue for at trykke lidt. Teknikken får alle de nematiske lag i jernseleniden til at klikke på linje.

Dai og Chen var medforfattere på PRX-avisen, og Yi sagde, at detwinning-teknikken var nøglen til at få klare data om virkningen af ​​nematicitet på jernselenids elektroniske adfærd.

"Denne undersøgelse ville ikke have været mulig uden den genvindingsteknik, som Pengcheng og Tong udviklede, " sagde Yi. "Det gav os mulighed for at tage et kig på arrangementerne af elektroniske tilstande, efterhånden som materialesystemet bliver klar til superledning. Vi var i stand til at komme med præcise udsagn om tilgængeligheden af ​​elektroner, der tilhører forskellige orbitaler, som kunne deltage i superledning, når nematiske regler skal overholdes."

En vej frem

Yi sagde, at dataene viser, at størrelsen af ​​nematiske skift i jernselenid er sammenlignelig med skift målt i mere komplicerede jernbaserede superledere, der også har magnetisk orden. Hun sagde, at det tyder på, at den nematicitet, der er observeret i jernselenid, kunne være et universelt træk ved alle jernbaserede superledere, uanset tilstedeværelsen af ​​langdistancemagnetisme. Og hun håber, at hendes data giver teoretikere mulighed for at udforske den mulighed og andre.

"Dette sæt af målinger vil give præcis vejledning til teoretiske modeller, der har til formål at beskrive den nematiske superledende tilstand i jernbaserede superledere, " sagde hun. "Det er vigtigt, fordi nematicitet spiller en rolle i at skabe superledning i alle disse materialer."