El potencial químico es un concepto fundamental en la física de la materia condensada. Si bien las ecuaciones relevantes que lo definen se pueden encontrar en cualquier libro de texto de física de pregrado, su dependencia de la temperatura en sistemas que son buenos conductores suele ser insignificante. Como resultado, a pesar del intenso interés de la investigación en FeSe, un superconductor no convencional que exhibe varias propiedades extraordinarias, la dependencia de la temperatura del potencial químico se ha pasado por alto anteriormente.

En un artículo reciente publicado como sugerencia del editor en Revisión física B , La colaboración entre el equipo de línea de luz I05 en Diamond Light Source y la Universidad Royal Holloway de Londres ha demostrado que, basado en los detalles finos de la estructura electrónica del material, Cabe esperar una variación sustancial del efecto potencial químico. Luego probaron esta hipótesis utilizando mediciones de espectroscopía de fotoemisión con resolución de ángulo de alta resolución (ARPES) en la línea de luz ARPES (I05) en Diamond, encontrando un efecto aún mayor experimentalmente que en su modelado teórico. Por otra parte, el cambio del potencial químico es el único efecto observado, descartando un escenario alternativo en el que las bandas electrónicas evolucionan continuamente por sí mismas en función de la temperatura. Los resultados tienen implicaciones importantes para la comprensión del intrincado comportamiento de FeSe, particularmente a temperaturas más altas.

El potencial químico - siempre importante, pero a veces pasado por alto

Los electrones en los sólidos obedecen a dos reglas básicas:primero, no pueden compartir el mismo estado que otro electrón, y en segundo lugar, generalmente les gusta ocupar los estados de energía más bajos disponibles. Como resultado, los electrones 'llenan' todos los estados disponibles a partir de los estados de energía más bajos disponibles, un electrón por estado, hasta un nivel en el que se hayan contado todos los electrones. Los científicos se refieren al nivel que separa los estados ocupados de los desocupados como el "potencial químico". Las cosas se vuelven un poco confusas a altas temperaturas, debido a que las fluctuaciones de la energía térmica permiten que los electrones ocupen brevemente un estado por encima del potencial químico de acuerdo con una distribución de probabilidad bien conocida, pero el concepto de potencial químico sigue siendo muy útil, y aparece sobre la física de la materia condensada (y también la química, Como el nombre sugiere). De hecho, la dependencia de la temperatura del potencial químico es un concepto importante en la física de semiconductores, desempeñando un papel crucial en la determinación de la dependencia de la temperatura de la resistencia de la muestra, por ejemplo. Sin embargo, en buenos metales, por ejemplo cobre elemental, el potencial químico sigue siendo un parámetro importante, pero cualquier cambio del potencial químico varía en función de la temperatura suele ser insignificante.

Las propiedades únicas de FeSe

En este estudio, los investigadores se centraron en una dependencia de la temperatura inesperadamente fuerte del potencial químico en FeSe. ¿Por qué FeSe? En resumen:puede parecer un sistema simple con solo dos elementos, con las muestras construidas a partir de capas de redes cuadradas de Fe-Se, pero sus fascinantes propiedades han atraído el interés de muchos grupos experimentales y teóricos en todo el mundo. FeSe se ha convertido en un banco de pruebas para las teorías que pretenden explicar el fenómeno de la superconductividad no convencional y de alta temperatura en la familia más amplia de superconductores basados ​​en hierro. Mientras que la superconductividad en FeSe normal se activa solo a 8 grados por encima del cero absoluto (8 Kelvin, -265 ° C), esta 'temperatura crítica' se puede cuadruplicar apretándola muy fuerte (a 8000 veces la presión atmosférica), y es quizás tan alto como 100 Kelvin (es decir, 100 grados por encima del cero absoluto, -173 ° C) cuando se cultiva como una sola capa de una manera particular. De vuelta en las muestras normales de FeSe, También se ha demostrado que la superconductividad está fuertemente e inusualmente influenciada por el hecho de que las redes cuadradas en realidad se distorsionan ligeramente en rectángulos a 90 Kelvin (-183 ° C).

Todas estas intrigantes propiedades físicas proporcionan una excelente motivación para estudiar los estados electrónicos dentro de la muestra. La técnica de elección es la espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo (ARPES); donde un haz de luz intenso (fotones) se enfoca sobre una muestra, que emite electrones según el efecto fotoeléctrico, como lo entendió por primera vez Einstein en 1905. Al analizar la energía y el momento de los electrones expulsados ​​de la muestra de esta manera, los científicos pueden trazar un mapa de la energía permitida y la relación de momento de los electrones dentro del material. De hecho, Las mediciones de alta resolución de la estructura electrónica de FeSe por ARPES en la línea de luz I05 en Diamond han realizado previamente varias contribuciones experimentales importantes para la comprensión de este material. particularmente en lo que respecta a la influencia de la distorsión del rectángulo cuadrado de las capas FeSe, sucediendo por debajo de 90 Kelvin (-183 ° C). Sin embargo, En este estudio, los investigadores se centraron en medir solo en la fase cuadrada, desde 100 Kelvin (-173 ° C) hasta temperatura ambiente (300 Kelvin, 27 ° C).

Gran dependencia de la temperatura del potencial químico predicho y observado en FeSe

El primer paso para los investigadores fue utilizar los datos experimentales obtenidos a 100 Kelvin (-173 ° C) para construir un modelo teórico preciso de los estados electrónicos del sistema. Esto se hizo utilizando un 'modelo de unión estricta', donde uno considera los electrones que se encuentran en sitios de Fe particulares en la red, y luego permitirles "saltar" a sitios vecinos. Ajustando los parámetros del modelo, fue posible lograr un alto nivel de precisión, en comparación con los resultados experimentales. Demostraron que este modelo predijo una gran dependencia de la temperatura del potencial químico.

La razón para esperar una gran dependencia de la temperatura del potencial químico es que, si bien FeSe es un metal en el sentido de que puede transportar corrientes eléctricas con una resistencia finita (por encima de la temperatura de transición superconductora), está lejos de ser un metal típico. De hecho, se sabe que hay dos tipos de portadores de carga en el sistema, los portadores "similares a electrones" y "similares a huecos". Estos nombres provienen del comportamiento de los electrones en los sólidos:todos los electrones interactúan entre sí, por lo que están lejos de mostrar el comportamiento de un electrón libre en el vacío. pero a menudo se puede usar una descripción de electrones con una 'masa efectiva' modificada, con los términos 'similar a un electrón' y 'similar a un agujero' refiriéndose a si esa masa efectiva es positiva (es decir, como un electrón libre) o masa efectiva negativa (un agujero).

En FeSe, el número de "electrones" y "huecos" está limitado a ser igual para que el sistema tenga una carga neutra en general. En realidad, uno necesita ser un poco más preciso que esto:"el potencial químico a cualquier temperatura dada se ajustará de manera que las poblaciones de electrones y huecos promediados térmicamente permanezcan iguales", dijo Luke Rhodes, un estudiante de doctorado conjunto entre Diamond y Royal Holloway, y el autor principal del estudio. En FeSe existe una asimetría natural entre el electrón y los huecos; mientras que los electrones tienen muchos estados disponibles por encima del potencial químico para que los electrones salten con fluctuaciones térmicas, apenas hay disponibles para los agujeros. Como resultado de esta asimetría, además del hecho de que el número de electrones y huecos es bastante pequeño en FeSe, Los cálculos teóricos indicaron que elevar la temperatura requeriría un ajuste sustancial del potencial químico.

Luego, los investigadores recurrieron a ARPES de alta resolución en la línea de luz I05 en Diamond para confirmar experimentalmente este efecto. Utilizando muestras de alta calidad cultivadas en la Universidad de Oxford, midieron la estructura electrónica de FeSe en función de la temperatura de 100 a 300 Kelvin (-173 ° C a 27 ° C), que no había sido estudiado previamente. Observaron directamente una variación significativa del potencial químico, que era incluso mayor que en el cálculo teórico.

Implicaciones para modelar FeSe

Para comprender las diversas propiedades intrigantes de FeSe, Los teóricos a menudo comienzan con modelos de la estructura electrónica y luego investigan qué tipo de tendencias y susceptibilidades tiene el modelo hacia diferentes tipos de transiciones de fase. Sin embargo, como se encuentra en este estudio, los detalles del modelo realmente importan. "Hemos demostrado que es importante comenzar con un modelo teórico preciso, y también hemos demostrado que el potencial químico siempre debe tenerse muy en cuenta ", —dijo Luke Rhodes. El equipo de investigación ahora tiene la intención de usar su modelo para investigar la transición de fase cuadrado-rectangular de FeSe a 90 Kelvin (-183 ° C), donde sospechan que el potencial químico también puede estar jugando un papel importante.