Tynd film afslører oprindelsen af ​​præ-superledende fase

RIKEN-fysikere har fundet en ideel platform til at udforske elektronernes adfærd i et materiale, når det nærmer sig superledning. Dette kan hjælpe med at udvikle nye superledere, der fungerer ved mere bekvemme temperaturer end eksisterende. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Physical Review B .

Superledere fører elektrisk strøm uden modstand og bruges for eksempel i kraftige elektromagneter og magnetiske sensorer. Men superledning forekommer generelt kun ved lave temperaturer, så forskere søger højtemperatur-superledere, der kan åbne op for en meget bredere vifte af applikationer. Det ultimative mål er at finde materialer, der superleder ved stuetemperatur.

Superledning i såkaldte konventionelle superledere opstår, når elektroner parrer sig. Denne parring forhindrer elektronerne i at spredes, når de strømmer gennem et materiale.

Nogle materialer, når de nærmer sig denne superledende tilstand, går ind i en "nematisk fase", hvor elektroner justeres i striber. "Nematicitet anses for at være tæt forbundet med superledning," forklarer Yuya Kubota fra RIKEN SPring-8 Center. "Den præcise sammenhæng mellem nematicitet og superledning er dog ikke fuldt ud forstået."

For at udforske dette forhold vendte Kubota og hans kolleger sig til et materiale kaldet jernselenid, som kun superleder ved den meget lave temperatur på -265°C, hvilket er kun 8° over det absolutte nulpunkt. Men superledning ved højere temperaturer kan opnås ved at påføre tryk eller ved at justere materialets kemiske sammensætning, hvilket potentielt viser vejen til mere generelle strategier til at skabe højtemperatur-superledere.

Jernselenid går ind i sin nematiske fase ved ca. –183°C. I denne fase ændres arrangementet af atomer i materialets krystalgitter, og visse elektroner kan antage forskellige energitilstande. Forskere har længe diskuteret den relative betydning af disse strukturelle og elektroniske faktorer for at drive nematicitet.

Kubotas team er nu kommet med et svar. De studerede en ultratynd film af jernselenid på en base af lanthanaluminat, som undertrykte den strukturelle ændring under overgangen til den nematiske fase.

Forskerne opdagede alle de elektroniske kendetegn ved en overgang til den nematiske fase, selvom gitterstrukturen forblev den samme. Dette tyder på, at den nematiske fase kun stammer fra ændringer i visse elektroners energitilstande.

Forskerne forventer, at deres tyndfilmsmateriale vil give dem mulighed for at udforske elektronernes opførsel i den nematiske fase uden den komplicerende faktor af eventuelle ledsagende strukturelle ændringer. "Dette kan hjælpe os med at opnå en dybere forståelse af forholdet mellem nematicitet og superledningsevne og superledningsmekanismen," siger Kubota. "Og dette kunne til gengæld fremskynde forskningen mod rumtemperatur-superledere."

Flere oplysninger: Y. Kubota et al., Ren nematisk tilstand i den jernbaserede superleder FeSe, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L100501

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang B

Leveret af RIKEN