El espín mantiene los electrones alineados en un superconductor a base de hierro

El espín mantiene los electrones alineados en un superconductor a base de hierro


19 de mayo de 2022

(Noticias de Nanowerk) Investigadores del grupo de Espectroscopía de Materiales Cuánticos de PSI junto con científicos de la Universidad Normal de Beijing han resuelto un enigma que está en la vanguardia de la investigación sobre superconductores a base de hierro: el origen de la nematicidad electrónica de FeSe. Usando dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en Swiss Light Source (SLS), descubrieron sorprendentemente que este fenómeno electrónico es principalmente impulsado por el giro.

Se cree que la nematicidad electrónica es una parte importante de la superconductividad a alta temperatura, pero aún se desconoce si la ayuda o la dificulta.

Tus resultados serán publicados en física natural («Anisotropía de excitación de espín en el estado nemático de FeSe deshermanado»). El origen del espín de la nematicidad electrónica en el superconductor a base de hierro FeSe La dispersión de rayos X inelástica resonante revela correlaciones de espín nemático de alta energía en el estado nemático del superconductor FeSe a base de hierro. (Imagen: Qi Tang y Xingye Lu, Universidad Normal de Beijing)

En las inmediaciones del PSI, donde el bosque suizo es omnipresente, a menudo se ven montones de madera: montones de madera increíblemente limpios. Los troncos en forma de cuña para leña se apilan cuidadosamente a lo largo, pero sin tener en cuenta su rotación. Cuando las partículas de un material, como los troncos en estas pilas de leña, se organizan espontáneamente de una manera que rompe la simetría rotacional pero conserva la simetría traslacional, se dice que el material está en un estado nemático.

En un cristal líquido, esto significa que las moléculas en forma de varilla pueden fluir en la dirección de su orientación como un líquido, pero no en otras direcciones. La nematicidad electrónica ocurre cuando los orbitales electrónicos en un material se alinean de esta manera. Normalmente, esta nematicidad electrónica se manifiesta como propiedades electrónicas anisotrópicas: por ejemplo, la resistividad o la conductividad muestran magnitudes muy diferentes cuando se miden a lo largo de diferentes ejes.

Desde su descubrimiento en 2008, la familia de superconductores a base de hierro ha recibido un gran interés durante la última década. Además de los superconductores de cuprato bien estudiados, estos materiales exhiben el misterioso fenómeno de la superconductividad a alta temperatura. El estado nemático electrónico es una característica omnipresente de los superconductores a base de hierro.

Pero hasta ahora, el origen físico de esta nematicidad electrónica sigue siendo un misterio; de hecho, podría decirse que es uno de los misterios más importantes en el estudio de los superconductores a base de hierro.

Pero, ¿por qué es tan interesante la nematicidad electrónica? La respuesta se encuentra en el rompecabezas interminable de comprender cómo se emparejan los electrones y logran la superconductividad a altas temperaturas. Las historias de la nematicidad electrónica y la superconductividad están indisolublemente unidas, pero cómo exactamente, y si compiten o cooperan, es una cuestión muy debatida.

La búsqueda para comprender la nematicidad electrónica ha llevado a los investigadores a centrar su atención en un superconductor basado en hierro específico, el seleniuro de hierro (FeSe). FeSe es un misterio porque tiene la estructura cristalina más simple de todos los superconductores a base de hierro y, al mismo tiempo, las propiedades electrónicas más intrigantes.

FeSe entra en su fase superconductora por debajo de una temperatura crítica (Tc) de 9 K, pero tiene una Tc sintonizable, lo que significa que esta temperatura puede elevarse aplicando presión o dopando el material. El material en capas cuasi-2D tiene una fase nemática electrónica extendida que ocurre por debajo de aproximadamente 90K.

Curiosamente, esta nematicidad electrónica aparece sin el orden magnético de largo alcance que normalmente acompañaría, lo que lleva a animados debates sobre sus orígenes: si están impulsados ​​por grados de libertad orbitales o de espín. La falta de orden magnético de largo alcance en FeSe ofrece la oportunidad de obtener una visión más clara de la nematicidad electrónica y su interacción con la superconductividad.

Como resultado, muchos investigadores creen que FeSe puede ser la clave para comprender el misterio de la nematicidad electrónica en toda la familia de superconductores a base de hierro.

Medición de anisotropías de excitación de espín mediante dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS)

Para determinar el origen de la nematicidad electrónica de FeSe, los científicos del grupo de Espectroscopia de Materiales Cuánticos de PSI recurrieron a la técnica de dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en la línea de luz ADRESS de Swiss Light Source (SLS). Combinando los principios de la espectroscopia de absorción y emisión de rayos X, esta técnica es una herramienta muy eficaz para estudiar las excitaciones magnéticas o de espín de un material.

“En PSI tenemos una de las configuraciones más avanzadas para RIXS en el mundo. Como uno de los primeros en avanzar en esta técnica hace 15 años, ahora hemos construido una instalación muy bien desarrollada para este tipo de experimento”, explica Thorsten Schmitt, quien dirigió el estudio junto con Xingye Lu de la Universidad Normal de Beijing. «En particular, las propiedades de la radiación de sincrotrón debido al diseño del anillo SLS son ideales para el rango de rayos X blandos en el que se realizaron estos experimentos».

Para estudiar las anisotropías de espín del FeSe utilizando RIXS, los científicos primero tuvieron que superar un obstáculo práctico. Para medir el comportamiento nemático anisotrópico, la muestra primero tuvo que ser «deshermanada». Los gemelos ocurren cuando los cristales en capas apiladas se orientan en direcciones arbitrarias con la misma probabilidad, oscureciendo así cualquier información sobre el comportamiento anisotrópico. El desdoblamiento es una técnica común de preparación de muestras cristalográficas que generalmente implica aplicar presión a la muestra que hace que los cristales se alineen a lo largo de las direcciones estructurales.

Esto no funciona para FeSe. Aplique esa presión a FeSe y el material blando simplemente se deforma o se rompe. Por lo tanto, el equipo utilizó un método indirecto de desdominación, en el que el FeSe se pega a un material que puede desdoblarse: arseniuro de hierro y bario (BaFe2Cuando2). “Si aplicamos una presión uniaxial a BaFe2Cuando2esto produce una tensión de alrededor del 0,36 %, que es suficiente para separar simultáneamente FeSe”, explica Xingye Lu, quien previamente demostró la viabilidad de los estudios de FeSe con neutrones inelásticos junto con Tong Chen y Pengcheng Dai de Rice University Scattering.

Los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos habían mostrado anisotropías de espín de baja energía en FeSe; pero la medición de las excitaciones de espín de alta energía fue esencial para vincular estas fluctuaciones de espín con la nematicidad electrónica. Medir las excitaciones de espín a una escala de energía de aproximadamente 200 meV, muy por encima de la brecha de energía entre los niveles de energía orbitales, permitiría descartar los grados de libertad orbitales como fuente de nematicidad electrónica. Después de que la separación se completó con éxito, los investigadores pudieron estudiar las excitaciones clave de espín de alta energía de FeSe y BaFe.2Cuando2con RIXS.

Los investigadores estudiaron la anisotropía de espín en la dirección del enlace Fe-Fe. Para evaluar la anisotropía de espín, el equipo midió las excitaciones de espín en dos direcciones ortogonales y comparó las respuestas. Al realizar mediciones con temperatura creciente, el equipo pudo determinar la temperatura crítica a la que desaparecía el comportamiento nemático y comparar las observaciones de las anisotropías de espín con las anisotropías electrónicas observadas mediante mediciones de resistividad.

Los investigadores midieron por primera vez el BaFe separado2Cuando2, que tiene una estructura de espín anisotrópico bien caracterizada y un orden magnético de largo alcance, y los utilizó como referencia. Las mediciones de la respuesta de excitación del espín a lo largo de las dos direcciones ortogonales revelaron una clara asimetría: la manifestación de la nematicidad.

Luego, el equipo realizó el mismo experimento en FeSe deshermanado. A pesar de la falta de orden magnético, observaron una anisotropía de espín muy fuerte con respecto a los dos ejes. «Extraordinariamente, pudimos mostrar una anisotropía de espín que es comparable, si no incluso mayor, que la del BaFe ya altamente anisotrópico.2Cuando2dice Xingye Lu. «Esta anisotropía de espín disminuye con el aumento de la temperatura y desaparece alrededor de la temperatura de transición nemática, la temperatura a la que el material deja de estar en un estado nemático electrónico».

El origen de la nematicidad electrónica en FeSe: hacia una mejor comprensión del comportamiento electrónico en superconductores a base de hierro

La escala de energía de las excitaciones de espín de unos 200 meV, que es mucho mayor que la distancia entre los niveles orbitales, muestra que la nematicidad electrónica en el FeSe está impulsada principalmente por el espín. «Fue una gran sorpresa», explica Thorsten Schmitt. «Ahora pudimos vincular la nematicidad electrónica, que se manifiesta como arrastre anisotrópico, con la presencia de nematicidad en las excitaciones de espín».

Pero, ¿qué significan estos hallazgos? La interacción del magnetismo, la nematicidad electrónica y la superconductividad es un tema central en los superconductores no convencionales. Se cree que las fluctuaciones cuánticas en la nematicidad electrónica pueden promover la superconductividad a alta temperatura en los superconductores a base de hierro.

Estos resultados proporcionan una visión largamente buscada del mecanismo de nematicidad electrónica en FeSe. Pero, en términos más generales, agregan una pieza importante al rompecabezas de comprender el comportamiento electrónico en los superconductores a base de hierro y, en última instancia, cómo se relaciona esto con la superconductividad.

Los próximos pasos serán averiguar si el comportamiento nemático electrónico impulsado por espín persiste en otros miembros de la familia de los superconductores basados ​​en hierro y, además, si es correcta la sospecha de que puede ocurrir en direcciones distintas al eje del enlace Fe-Fe. .



Related post

Extracción de oro de los desechos usando gráficos (con video)

Extracción de oro de los desechos usando gráficos (con…

17 de agosto de 2022 (Noticias de Nanowerk) A lo largo de la historia, los alquimistas creyeron en la existencia de…
Los 7 mejores calentadores de agua solares en los EE. UU.

Los 7 mejores calentadores de agua solares en los…

Los mejores calentadores de agua solares son un poco como elegir su destino de vacaciones: ¡se trata de preferencias personales y…
Revelando los patrones de la naturaleza a nivel atómico en colores vivos

Revelando los patrones de la naturaleza a nivel atómico…

17 de agosto de 2022 (Noticias de Nanowerk) El método de aprendizaje automático para utilizar grandes cantidades de datos de rayos…

Leave a Reply

Tu dirección de correo electrónico no será publicada.