Udligning af forskellene:Forståelse af superledningsevne i ultratynd FeSe

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) belyser den underliggende årsag bag de forskellige kritiske overgangstemperaturer rapporteret for ultratynde jernselenid (FeSe) superledere. Deres resultater afklarer, hvorfor grænsefladen mellem det første FeSe-lag og dets substrat spiller en væsentlig rolle i superledningsevne, giver ny indsigt i et mangeårigt puslespil på dette felt.

Superledere er materialer, under en bestemt temperatur, har fascinerende elektromagnetiske egenskaber. De udviser nul modstand, hvilket betyder, at de leder elektricitet uden at miste energi i form af varme, og kan også fuldstændig frastøde eksterne magnetiske felter. På grund af sådanne bedrifter, superledere er meget attraktive til grundlæggende fysikstudier og elektronikapplikationer.

Selvom det er fjorten år siden, at jernbaserede superledere blev opdaget, videnskabsmænd er stadig på et tab med hensyn til de underliggende mekanismer for superledning i ultratynde lag af jernselenid (FeSe). Mens den kritiske overgangstemperatur (Tc), under hvilken bulk FeSe opfører sig som en superleder, er 8 K, signifikant forskellige værdier er blevet rapporteret for monolag af FeSe-krystaller dyrket ensartet på et strontiumtitanat (STO)-substrat; disse værdier går fra 40 K til så høje som 109 K.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve , Prof. Satoru Ichinokura og kolleger fra Tokyo Tech kaster lidt lys over dette problem. Ichinokura beskriver det aktuelle problem:"Selvom flere undersøgelser indikerer, at grænsefladen mellem FeSe og STO, eller det område, hvor FeSe og STO kommer i kontakt, spiller en væsentlig rolle i forbedringen af ​​Tc, der er plads til yderligere arbejde for præcist at forklare den mikroskopiske oprindelse af denne adfærd." Desuden, der er også en igangværende debat om dybden, hvor superledning forekommer med hensyn til tykkelsen af ​​FeSe-filmen.

For at løse disse spørgsmål, forskerne forberedte prøver ved at stable FeSe i tykkelser fra et til fem enhedscellelag på et isolerende STO-substrat. Gennem fire-punkts sondemålinger i vakuum, de udledte prøvernes resistivitet (det omvendte af ledningsevnen) ved forskellige temperaturer og forskellige dybder. Først, de fandt sikre beviser på, at deres elektriske målinger svarer til ledning langs FeSe-filmene, uden påvirkning fra det underliggende STO-substrat. Vigtigere, de observerede konsekvent et markant resistivitetsfald ved 40 K (indikerende begyndelse af superledning; se figur ) uanset FeSe-lagets tykkelse. Ichinokura bemærker:"Disse resultater tyder utvetydigt på, at høj-temperatur superledning i det væsentlige er placeret ved grænsefladen mellem FeSe og STO eller ved det nederste FeSe monolag uden at sprede sig til de øverste."

Nu, hvorfor rapporterede andre undersøgelser om forskellige Tc-værdier? Efter omhyggeligt at have gennemgået tidligere værker, Ichinokura og hans kolleger konkluderer, at forskelle i antallet af doteringsmidler i STO-substratet eller ilt ledige pladser i STO-undergrundslagene er ansvarlige for variabiliteten i Tc-værdier. I nogle tidligere undersøgelser, den anvendte fremstillingsprocedure har sandsynligvis induceret ilttomheder ved overfladen af ​​det ellers ensartede STO-lag. I andre, STO doteret med niobiumurenheder blev anvendt. Disse forskelle i substratet tillader flere ladningsbærere (elektroner) at nå STO/FeSe-grænsefladen, hvilket resulterer i vedvarende superledning selv ved højere temperaturer (med andre ord, øget Tc).

Begejstret over disse resultater, Ichinokura konkluderer:"Vores resultater indikerer stærkt grænsefladekarakteren af ​​den todimensionelle superledning observeret i FeSe/STO og bekræfter igen vigtigheden af ​​ladningsakkumulering fra substratet ind i grænsefladen. Vi har været i stand til at opnå ny indsigt i det mangeårige puslespil. at finde lav Tc på omkring 40 K ved brug af isolerende STO-substrater i stedet for ledende." Denne undersøgelse sætter os et skridt tættere på at belyse mysterierne vedrørende den forbedrede superledning.