Usando una técnica inteligente que hace que los cristales rebeldes de seleniuro de hierro se alineen, Los físicos de la Universidad de Rice han elaborado un mapa detallado que revela las "reglas del camino" para los electrones tanto en condiciones normales como en los momentos críticos justo antes de que el material se transforme en un superconductor.

En un estudio en línea esta semana en la revista American Physical Society Revisión física X ( PRX ), El físico Ming Yi y sus colegas ofrecen un mapa de estructura de bandas para el seleniuro de hierro, un material que durante mucho tiempo ha desconcertado a los físicos debido a su simplicidad estructural y complejidad de comportamiento. El mapa, que detalla los estados electrónicos del material, es un resumen visual de los datos recopilados a partir de las mediciones de un solo cristal de seleniuro de hierro cuando se enfrió hasta el punto de superconductividad.

Yi comenzó los experimentos de espectroscopia de fotoemisión resuelta en ángulo para el estudio durante un período postdoctoral en la Universidad de California. Berkeley. Los experimentos técnicamente desafiantes utilizaron una potente luz de sincrotrón de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) para inducir al cristal a emitir electrones.

"En un sentido, estas medidas son como tomar fotografías de electrones que salen volando del material, ", dijo." Cada fotografía cuenta las vidas que vivían los electrones justo antes de ser expulsados ​​del material por los fotones. Analizando todas las fotos, podemos reconstruir la física subyacente que explica todas sus historias ".

Cámaras de luz roja para electrones

El detector de electrones rastreó tanto la velocidad como la dirección en la que viajaban los electrones cuando se emitían desde el cristal. Esa información contenía pistas importantes sobre las leyes de la mecánica cuántica que dictaban los patrones de tráfico a una escala mayor, escala microscópica, donde se cree que surgen aspectos clave de la superconductividad.

Estas reglas están codificadas en la estructura electrónica de un material, Dijo Yi.

"Son como la huella digital electrónica de un material, ", dijo." Cada material tiene su propia huella digital única, que describe los estados de energía permitidos que los electrones pueden ocupar basándose en la mecánica cuántica. La estructura electrónica nos ayuda a decidir, por ejemplo, si algo será un buen conductor o un buen aislante o un superconductor ".

Cuando las cosas van de lado

La resistencia eléctrica es lo que causa los cables, teléfonos inteligentes y computadoras para calentar durante el uso, y cuesta miles de millones de dólares cada año en pérdidas de energía en las redes eléctricas y facturas de refrigeración de los centros de datos. Superconductividad, el flujo de electricidad de resistencia cero, podría eliminar ese desperdicio, pero los físicos han luchado por comprender y explicar el comportamiento de superconductores no convencionales como el seleniuro de hierro.

Yi estaba en la escuela de posgrado cuando se descubrieron los primeros superconductores a base de hierro en 2008, y ha pasado su carrera estudiándolos. En cada uno de estos, una capa de hierro de un átomo de espesor se intercala entre otros elementos. A temperatura ambiente, los átomos de esta capa de hierro están dispuestos en cuadrados de tablero de ajedrez. Pero cuando los materiales se enfrían cerca del punto de superconductividad, los átomos de hierro se desplazan y los cuadrados se vuelven rectangulares. Este cambio provoca un comportamiento dependiente de la dirección, o nematicidad, que se cree que juega un papel importante pero indeterminado en la superconductividad.

"El seleniuro de hierro es especial porque en todos los demás materiales a base de hierro, la nematicidad aparece junto con el orden magnético, "Yi dijo." Si tienes dos órdenes formándose juntas, es muy difícil decir cuál es más importante, y cómo cada uno afecta la superconductividad. En seleniuro de hierro, solo tienes nematicidad, por lo que nos da una oportunidad única de estudiar cómo la nematicidad contribuye a la superconductividad por sí misma ".

Actuando bajo presión

El resultado de la nematicidad es que los patrones de tráfico de electrones, y las reglas cuánticas que causan los patrones, pueden ser bastante diferentes para los electrones que fluyen de derecha a izquierda. a lo largo del eje largo de los rectángulos, que para los electrones que fluyen hacia arriba y hacia abajo a lo largo del eje corto. Pero tener una visión clara de esos patrones de tráfico en el seleniuro de hierro ha sido un desafío debido al hermanamiento, una propiedad de los cristales que hace que los rectángulos cambien de orientación aleatoriamente en 90 grados. Hermanamiento significa que los rectángulos de eje largo se ejecutarán de izquierda a derecha aproximadamente la mitad del tiempo y de arriba a abajo la otra mitad.

El hermanamiento en seleniuro de hierro hizo imposible obtener mediciones de muestras completas de orden nemático en el material hasta que los físicos de Rice, Pengcheng Dai y Tong Chen, publicaron una solución inteligente al problema en mayo. Sobre la base de una técnica de destwinning desarrollada por Dai y sus colegas en 2014, Chen descubrió que podía desdoblar frágiles cristales de seleniuro de hierro pegándolos sobre una capa más resistente de arseniuro de hierro y bario y girando un tornillo para aplicar un poco de presión. La técnica hace que todas las capas nemáticas del seleniuro de hierro se alineen.

Dai y Chen fueron coautores del artículo PRX, Yi dijo que la técnica de destwinning era clave para obtener datos claros sobre el impacto de la nematicidad en el comportamiento electrónico del seleniuro de hierro.

"Este estudio no hubiera sido posible sin la técnica de destwinning que desarrollaron Pengcheng y Tong, "Yi dijo." Nos permitió echar un vistazo a la disposición de los estados electrónicos a medida que el sistema material se prepara para la superconductividad. Pudimos hacer declaraciones precisas sobre la disponibilidad de electrones pertenecientes a diferentes orbitales que podrían participar en la superconductividad cuando se deben obedecer las reglas nemáticas ".

Un camino a seguir

Yi dijo que los datos muestran que la magnitud de los cambios nemáticos en el seleniuro de hierro son comparables a los cambios medidos en superconductores basados ​​en hierro más complicados que también presentan un orden magnético. Ella dijo que eso sugiere que la nematicidad que se observa en el seleniuro de hierro podría ser una característica universal de todos los superconductores a base de hierro. independientemente de la presencia de magnetismo de largo alcance. Y espera que sus datos permitan a los teóricos explorar esa posibilidad y otras.

"Este conjunto de mediciones proporcionará una guía precisa para los modelos teóricos que tienen como objetivo describir el estado superconductor nemático en superconductores basados ​​en hierro," ", dijo." Eso es importante porque la nematicidad juega un papel en la generación de superconductividad en todos estos materiales ".