Billeddannelse af nematiske overgange i jernpnictid-superledere

Forskere ved Stanford University har for nylig udført en dybdegående undersøgelse af nematiske overgange i jernpnictid-superledere. Deres papir, udgivet i Naturfysik , præsenterer nye billeddata af disse overgange indsamlet ved hjælp af et mikroskop, de opfandt, døbt det scannende kvantekryogene atommikroskop (SQCRAMscope).

"Vi opfandt en ny type scanning probe mikroskop for nogle år siden, "Benjamin L. Lev, forskeren, der ledede undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Man kan tænke på det som et normalt optisk mikroskop, men i stedet for at objektivet er fokuseret på et prøveglas, fokus er på en kvantegas af atomer, der svæver i nærheden af ​​prøven."

I det nye mikroskop opfundet af Lev og hans kolleger, atomer leviteres fra en "atomchip"-indfangningsanordning ved hjælp af magnetiske felter, indtil de kun er en mikron over prøveglasset. Disse atomer kan transducere de magnetiske felter, der udgår fra prøven, til lyset opsamlet af mikroskopets linse. Som resultat, SQCRAMscope kan bruges til at afbilde magnetiske felter.

"De atomer, vi bruger, er ultrakolde og i en kvantetilstand:de har tæt på det absolutte nulpunkt og er blandt de koldeste gasser i det kendte univers, " sagde Lev. "Som sådan, de fungerer som de bedste lavfrekvente magnetfeltsensorer i mikronskala. Atomerne kan scannes over materialets overflade, giver os mulighed for at optage et 2-D-billede af markerne i nærheden."

Ved at beregne afstanden mellem atomerne i mikroskopet og et materiales overflade, forskerne kan tage billeder af magnetfeltkilder tilbage. Magnetiske feltkilder kunne, for eksempel, være elektroner, der bevæger sig rundt eller en generel magnetisering inde i et materiale.

Billeddannelse af disse kilder, mens de afkøles ved hjælp af et værktøj kendt som 'kryostat', kunne i sidste ende afsløre nye fysiske fænomener, der opstår ved forskellige faseovergange. Mikroskopet udviklet af Lev og hans kolleger kunne således tjene som en helt ny kvantesensor til billeddannelse af magnetiske felter, der stammer fra forskellige materialer, potentielt føre til nye fascinerende opdagelser.

"Når vi har demonstreret, at SQCRAMscope virker, vi begyndte at søge efter den bedste første videnskabelige anvendelse af det, " Lev forklarede. "Jern-baserede (pnictid) superledere virkede som ideelle kandidater, da de udviser interessant elektrontransportadfærd på mikron længdeskalaen ved tilgængelige temperaturer."

Jern pnictid superledere har en række usædvanlige og spændende egenskaber. Til denne dag, fysikere er usikre på, hvordan høj-kritisk temperatur (høj-Tc) superledning, som den, der observeres i disse materialer, arbejder. Jernbaserede superledere blev først afsløret omkring 2008. Interessant nok, forskning afslørede, at de udviste nogle adfærd, der ligner dem af cuprat superledere.

"Disse 'ukonventionelle' superledere (i modsætning til de konventionelle som aluminium ved lave temperaturer) findes kendt i cupratmaterialerne, opdaget i midten af ​​80'erne, " sagde Lev. "Den mekanisme, der ligger til grund for deres superledning, forbliver et mysterium. Forskere, der arbejder inden for vores felt, håber, at belysning af denne mekanisme vil give robuste, stuetemperatur, og superledere med omgivende tryk til brug i en lang række teknologier."

En vigtig lighed mellem curprate og jernbaserede superledere er, at begge disse materialer præsenterer usædvanlige elektroniske faser af stof, på den varmere side af superledning. To af de mest kendte blandt disse faser af stof er de 'mærkelige metal' og de 'elektronnematiske' faser. Den elektronnematiske fase er et eksempel på en kvante flydende krystal, ligner de klassiske flydende krystaller, der findes i LCD-skærme.

"Disse klassiske krystaller er nematiske, hvilket betyder, at de stavlignende molekyler alle flugter i én retning, bryde materialets rotationssymmetri, " sagde Lev. "Med andre ord, molekylerne vælger en foretrukken retning at pege på. Teoretikere af kondenseret stof i 90'erne begyndte at tænke på, hvordan elektroner kunne gøre det samme. Ikke at elektroner er andet end punktlignende (så vidt vi ved i øjeblikket), men at under en kritisk overgangstemperatur, de ville beslutte at foretrække at flyde (dvs. ledning eller transport) langs en bestemt retning i en krystal, igen bryde rotationssymmetri; dette ville vise sig som en anisotropi i materialets resistivitet."

Mens elektronnematik konsekvent er blevet observeret i jernbaserede superledere, forskere er stadig usikre på årsagerne til, at de opstår, og relevansen af ​​denne unikke fase af stof til den lavere temperatur superledende fase. Teorien har endnu ikke endeligt bestemt, om denne fase hæmmer, forbedrer eller spiller en lille rolle i bestemmelsen af ​​Tc af materialets superledende fase.

Pnictider kunne være ideelle materialer til undersøgelse af elektronnematik, da elektroner i dem også fremkalder en spontan forvrængning af deres krystalgitterstruktur. Faktisk, tidligere forskning har fundet ud af, at når den elektroniske resistivitet af disse materialer bliver anisotropisk, deres gitter forvrænges fra en kvadratisk til en parallelogram-lignende form (dvs. fra tetragonal til ortorhombisk).

Denne transformation har to centrale konsekvenser. For det første, de resulterende strukturelle domæner har en resistivitetsanisotropi, der peger i ortogonale retninger. For det andet det faktum, at gitterforvrængningen roterer polariseringen af ​​reflekteret lys, gør det muligt at observere disse domæner ved hjælp af optiske mikroskoper.

"Desværre, den første konsekvens komplicerer transportmålinger, "Lev forklarede. "Man kan ikke bare måle resistivitetsanisotropien med en ohm-meter, fordi signalet har et gennemsnit til nul over den vende domænestruktur. Det er her, vi kommer ind. Vi undgår dette gennemsnitsproblem ved at bruge en lokal sonde til at afbilde det lokale anisotropi-domæne for domæne ved at se de retninger, som elektronerne strømmer i, ved at detektere det magnetiske felt, de kaster."

Lev og hans kolleger var de første til med succes at afbilde den lokale resistivitetsanisotropi i jernpnictid-superledere. En af grundene til, at de fik succes, er, at sonden, de brugte, kan fungere ved forhøjede temperaturer (~130 K), såsom dem, hvor denne unikke overgang sker.

"En standardsonde, som scanning af SQUID-magnetometri kan ikke rigtig afbilde prøver ved disse temperaturer med høj opløsning, fordi selve enheden bliver for varm og holder op med at arbejde med høj følsomhed, " sagde Lev. "I modsætning hertil, vores sonde er bare en gas af atomer, der ikke absorberer varme fra prøven. I øvrigt, fordi atomerne er gennemsigtige for de fleste lysbølgelængder, vi var i stand til at skinne et lys på overfladen for at afbilde disse domænestrukturer på samme tid som vi tog magnetometriscanningerne."

Ved at afbilde domænestrukturerne og samtidig fange magnetometriscanninger, forskerne var i stand til at identificere de nøjagtige steder, de scannede i materialet, og afgøre, om skiftet i gitterstrukturer observeret i jernpnictid-superledere faktisk forekommer ved den samme kritiske temperatur som deres elektroniske nematicitet. Ved at bruge dette dobbelte sondesystem, Lev og hans kolleger kunne bekræfte deres observationer, hvilket aldrig er blevet opnået ved brug af andre sonderingsenheder.

"Vores enheds lokale billeddannelsesevne gjorde det muligt for os at måle en skarpere elektronnematisk overgang og se, at den fandt sted ved samme temperatur som den strukturelle overgang, " sagde Lev. "Det generelle forskersamfund spurgte ofte, om disse overgange faktisk fandt sted ved samme temperatur, og vi viste, at de faktisk gør, i det mindste på mikron-til-ti-mikron længdeskalaen."

Det nye mikroskop designet af Lev og hans kolleger bruger et Bose-Einstein-kondensat, som har en følsomhed, der ikke afhænger af temperaturen på prøven, der analyseres. Ud over dens dobbelte sondefunktion, mikroskopet kan således indsamle meget præcise målinger ved alt fra rumtemperaturer til kryogene temperaturer, på en ikke-invasiv måde.

Den nylige undersøgelse udført af Lev og hans kolleger har en række vigtige implikationer. Især, det viser, for allerførste gang, potentialet i forskernes SQCRAMscope til at studere fysiske fænomener.

Ved at bruge SQCRAMscope, forskerne var i stand til at indsamle de første lokale billeder af nematiske overgange i jernpnictid-superledere. Disse billeder giver ny værdifuld indsigt om, hvordan og hvornår disse overgange finder sted. I deres næste studier, forskerne planlægger at bruge deres kvantesensor til at undersøge nematicitet yderligere, samt at udforske fysiske fænomener i andre komplekse kvantematerialer.

"Vi har samlet en lang liste af spændende materialer at studere nu, hvor SQCRAMscope er fuldt operationelt, " sagde Lev. "Disse udviser enten topologisk beskyttet elektrontransport eller er stærkt korrelerede (dvs. elektronerne interagerer og bevæger sig i en kompliceret dans med hinanden, med den konsekvens, at i det mindste nogle aspekter af deres fysik ofte stadig er et mysterium)."

© 2020 Science X Network