En el panteón de los superconductores no convencionales, El seleniuro de hierro es una estrella de rock. Pero los nuevos experimentos de EE. UU. Los físicos chinos y europeos han descubierto que la personalidad magnética del material es inesperadamente mundana.

Pengcheng Dai, físico de la Universidad Rice, autor correspondiente de un estudio de los resultados publicados en línea esta semana en Materiales de la naturaleza , ofreció esta evaluación básica del seleniuro de hierro:"Es un superconductor basado en hierro de variedad natural. La física fundamental de la superconductividad es similar a la que encontramos en todos los demás superconductores basados ​​en hierro".

Esa conclusión se basa en datos de experimentos de dispersión de neutrones realizados durante el año pasado en los EE. UU. Alemania y Reino Unido. Los experimentos produjeron las primeras mediciones de las propiedades magnéticas dinámicas de los cristales de seleniuro de hierro que habían sufrido un cambio estructural característico que ocurre cuando el material se enfría pero antes de que se enfríe hasta el punto de superconductividad.

"El seleniuro de hierro es completamente diferente de todos los demás superconductores a base de hierro en varios aspectos, "dijo Dai, profesor de física y astronomía en Rice y miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice (RCQM). "Tiene la estructura más simple, estando compuesto por solo dos elementos. Todos los demás tienen al menos tres elementos y una estructura mucho más complicada. El seleniuro de hierro también es el único que no tiene orden magnético ni compuesto original ".

Desde 2008 se han descubierto docenas de superconductores a base de hierro. En cada uno, los átomos de hierro forman una lámina bidimensional que se intercala entre las láminas superior e inferior formadas por otros elementos. En el caso del seleniuro de hierro, las hojas superior e inferior son selenio puro, pero en otros materiales estas láminas están hechas de dos o más elementos. En seleniuro de hierro y otros superconductores a base de hierro, Los átomos de hierro en la hoja central 2-D están espaciados en forma de tablero de ajedrez, exactamente la misma distancia entre sí tanto en la dirección izquierda-derecha como en la dirección adelante-atrás.

A medida que los materiales se enfrían, sufren un ligero cambio estructural. En lugar de cuadrados exactos, los átomos de hierro forman rombos alargados. Estos son como diamantes de béisbol donde la distancia entre el plato de home y la segunda base es más corta que la distancia entre la primera y la tercera base. Y este cambio entre los átomos de hierro hace que los superconductores basados ​​en hierro exhiban un comportamiento direccionalmente dependiente, como mayor resistencia eléctrica o conductividad solo en la dirección del hogar al segundo o del primero al tercero.

Los físicos se refieren a este comportamiento direccionalmente dependiente como anisotropía o nematicidad, y aunque se sabe que la nematicidad estructural ocurre en el seleniuro de hierro, Dai dijo que ha sido imposible medir el orden electrónico y magnético exacto del material debido a una propiedad conocida como hermanamiento. El hermanamiento ocurre cuando se apilan capas de cristales bidimensionales orientados aleatoriamente. Imagina 100 diamantes de béisbol apilados uno encima del otro, con la línea entre el plato de home y la segunda base variando aleatoriamente para cada uno.

"Incluso si hay un orden electrónico direccionalmente dependiente en una muestra hermanada, no puedes medirlo porque esas diferencias se promedian y terminas midiendo un efecto neto de cero, "Dijo Dai." Tuvimos que desmembrar muestras de seleniuro de hierro para ver si había un orden electrónico nemático ".

El autor principal del estudio, Tong Chen, un doctorado de tercer año. estudiante en el grupo de investigación de Dai, resolvió el problema del hermanamiento aprovechando inteligentemente un estudio de 2014 en el que Dai y sus colegas aplicaron presión para separar cristales de arseniuro de hierro y bario. Era imposible aplicar el mismo método al seleniuro de hierro porque los cristales eran 100 veces más pequeños, así que Chen pegó los cristales más pequeños encima de los más grandes, razonamiento de que la presión necesaria para alinear la muestra más grande también haría que las capas de seleniuro de hierro se alinearan.

Chen pasó semanas creando varias muestras para probar en haces de dispersión de neutrones. Se tuvieron que alinear entre 20 y 30 cuadrados de 1 milímetro de seleniuro de hierro y colocarlos encima de cada cristal de arseniuro de hierro y bario. Y aplicar cada uno de los pequeños cuadrados fue un trabajo minucioso que involucró un microscopio, pinzas y especial, pegamento sin hidrógeno que cuesta casi $ 1, 000 por onza.

El trabajo valió la pena cuando Chen analizó las muestras y descubrió que el seleniuro de hierro se había desdoblado. Esas pruebas con haces de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, La Universidad Técnica de Munich y el Laboratorio Rutherford-Appleton del Reino Unido también mostraron que el comportamiento electrónico del seleniuro de hierro es muy similar al de otros superconductores de hierro.

"La conclusión clave es que las correlaciones magnéticas que están asociadas con la superconductividad en el seleniuro de hierro son altamente anisotrópicas, al igual que en otros superconductores de hierro, "Dijo Dai." Ese ha sido un punto muy controvertido, porque el seleniuro de hierro, a diferencia de todos los demás superconductores a base de hierro, no tiene un compuesto original que exhiba un orden antiferromagnético, lo que ha llevado a algunos a sugerir que la superconductividad surgió en el seleniuro de hierro de una manera completamente diferente a la que surge en estos otros. Nuestros resultados sugieren que ese no es el caso. No necesitas un método completamente nuevo para entenderlo ".