Investigadores de la Universidad de Stanford han llevado a cabo recientemente un estudio en profundidad de las transiciones nemáticas en superconductores pnictidos de hierro. Su papel publicado en Física de la naturaleza , presenta nuevos datos de imágenes de estas transiciones recopilados con un microscopio que inventaron, denominado microscopio átomo criogénico cuántico de barrido (SQCRAMscope).

"Inventamos un nuevo tipo de microscopio de sonda de barrido hace unos años, "Benjamin L. Lev, el investigador que dirigió el estudio, dijo Phys.org. "Uno puede pensar en ello como un microscopio óptico normal, pero en lugar de enfocar la lente en una diapositiva de muestra, la atención se centra en un gas cuántico de átomos que levitan cerca de la muestra ".

En el nuevo microscopio inventado por Lev y sus colegas, los átomos son levitados desde un dispositivo de captura de 'chip atómico' utilizando campos magnéticos, hasta que estén apenas un micrón por encima del portaobjetos de muestra. Estos átomos pueden transducir los campos magnéticos que emanan de la muestra a la luz recogida por la lente del microscopio. Como resultado, El SQCRAMscope se puede utilizar para obtener imágenes de campos magnéticos.

"Los átomos que usamos son ultrafríos y están en un estado cuántico:tienen una temperatura cercana al cero absoluto y se encuentran entre los gases más fríos del universo conocido, "Lev dijo." Como tal, sirven como los mejores sensores de campo magnético de baja frecuencia a escala micrométrica. Los átomos se pueden escanear sobre la superficie del material, permitiéndonos grabar una imagen 2-D de los campos cercanos ".

Calculando la distancia entre los átomos del microscopio y la superficie de un material, los investigadores pueden recuperar imágenes de fuentes de campos magnéticos. Las fuentes de campo magnético podrían, por ejemplo, ser electrones que se mueven o una magnetización general dentro de un material.

Obtener imágenes de estas fuentes mientras las enfría con una herramienta conocida como 'criostato' podría finalmente revelar nuevos fenómenos físicos que ocurren en diferentes transiciones de fase. El microscopio desarrollado por Lev y sus colegas podría servir como un nuevo sensor cuántico para obtener imágenes de campos magnéticos que emanan de una variedad de materiales. potencialmente conduciendo a nuevos descubrimientos fascinantes.

"Una vez que demostramos que el SQCRAMscope funciona, comenzamos a buscar el mejor primer uso científico para él, "Lev explicó." Los superconductores a base de hierro (pnictide) parecían candidatos ideales, ya que exhiben un comportamiento de transporte de electrones interesante en la escala de longitud de micrones a temperaturas accesibles ".

Los superconductores de pnictide de hierro tienen una serie de características inusuales e intrigantes. Para este día, Los físicos no están seguros de cómo la superconductividad de alta temperatura crítica (alta Tc), como el observado en estos materiales, obras. Los superconductores a base de hierro se descubrieron por primera vez alrededor de 2008. Curiosamente, La investigación reveló que exhibían algunos comportamientos similares a los de los superconductores de cuprato.

"Estos superconductores 'no convencionales' (a diferencia de los convencionales como el aluminio a bajas temperaturas) existen de manera famosa en los materiales de cuprato, descubierto a mediados de los 80, "Dijo Lev." El mecanismo subyacente a su superconductividad sigue siendo un misterio. Los investigadores que operan en nuestro campo esperan que dilucidar este mecanismo proporcione temperatura ambiente, y superconductores de presión ambiental para su uso en una amplia variedad de tecnologías ".

Una similitud clave entre los superconductores curprate y los basados ​​en hierro es que ambos materiales presentan fases electrónicas inusuales de la materia, en el lado más cálido de la superconductividad. Dos de las más conocidas entre estas fases de la materia son las fases de "metal extraño" y "nemática de electrones". La fase nemática electrónica es un ejemplo de un cristal líquido cuántico, similar a los cristales líquidos clásicos que se encuentran en las pantallas LCD.

"Estos cristales clásicos son nemáticos, lo que significa que todas las moléculas en forma de varilla se alinean a lo largo de una dirección, romper la simetría rotacional del material, "Lev dijo". En otras palabras, las moléculas eligen una dirección preferida para apuntar. Los teóricos de la materia condensada en los años 90 comenzaron a pensar en cómo los electrones podrían hacer lo mismo. No es que los electrones sean otra cosa que puntos (hasta donde sabemos actualmente), pero que por debajo de una temperatura de transición crítica, decidirían fluir preferentemente (es decir, conducta o transporte) a lo largo de una dirección particular en un cristal, nuevamente rompiendo la simetría rotacional; esto se mostraría como una anisotropía en la resistividad del material ".

Si bien la nemática electrónica se ha observado constantemente en superconductores a base de hierro, los investigadores aún no están seguros de las razones por las que surgen y la relevancia de esta fase única de la materia para la fase superconductora de temperatura más baja. La teoría aún no ha determinado definitivamente si esta fase obstaculiza, mejora o juega un papel pequeño en la determinación de la Tc de la fase superconductora del material.

Los pnictides podrían ser materiales ideales para el estudio de la nemática electrónica, ya que los electrones en ellos también provocan una distorsión espontánea de su estructura de red cristalina. De hecho, Investigaciones anteriores han encontrado que a medida que la resistividad electrónica de estos materiales se vuelve anisotrópica, su celosía se distorsiona de una forma cuadrada a una forma de paralelogramo (es decir, de tetragonal a ortorrómbico).

Esta transformación tiene dos consecuencias clave. Primeramente, los dominios estructurales resultantes tienen una anisotropía de resistividad que apunta en direcciones ortogonales. En segundo lugar, el hecho de que la distorsión de la red haga girar la polarización de la luz reflejada permite observar estos dominios utilizando microscopios ópticos.

"Desafortunadamente, la primera consecuencia complica las medidas de transporte, "Lev explicó." No se puede medir simplemente la anisotropía de resistividad con un ohmímetro porque la señal promedia cero sobre la estructura del dominio de inversión. Ahí es donde entramos nosotros. Evitamos este problema de promediado mediante el uso de una sonda local para obtener imágenes de la anisotropía local dominio por dominio al ver las direcciones en las que fluyen los electrones al detectar el campo magnético que emiten ".

Lev y sus colegas fueron los primeros en obtener imágenes con éxito de la anisotropía de resistividad local en superconductores de pnictida de hierro. Una de las razones por las que tuvieron éxito es que la sonda que utilizaron puede funcionar a temperaturas elevadas (~ 130 K), como aquellos en los que se produce esta transición única.

"Una sonda estándar, como escanear la magnetometría SQUID realmente no puede obtener imágenes de muestras a estas temperaturas con alta resolución porque el dispositivo en sí se calentará demasiado y dejará de funcionar con alta sensibilidad, "Lev dijo." En contraste, nuestra sonda es solo un gas de átomos que no absorbe ningún calor de la muestra. Es más, porque los átomos son transparentes a la mayoría de las longitudes de onda de luz, pudimos hacer brillar una luz sobre la superficie para obtener imágenes de estas estructuras de dominio al mismo tiempo que estábamos tomando los escáneres de magnetometría ".

Al obtener imágenes de las estructuras del dominio y capturar simultáneamente escaneos de magnetometría, los investigadores pudieron identificar los sitios exactos que estaban escaneando dentro del material y determinar si el cambio en las estructuras de celosía observado en los superconductores de pnictida de hierro realmente ocurre a la misma temperatura crítica que su nematicidad electrónica. Usando este sistema de sonda dual, Lev y sus colegas pudieron corroborar sus observaciones, que nunca se ha logrado cuando se utilizan otros dispositivos de palpación.

"La capacidad de imagen local de nuestro dispositivo nos permitió medir una transición nemática electrónica más nítida y ver que ocurrió a la misma temperatura que la transición estructural, ", Dijo Lev." La comunidad de investigadores en general a menudo preguntaba si estas transiciones ocurrían de hecho a la misma temperatura, y mostramos que de hecho lo hacen, al menos en la escala de longitud de micrones a decenas de micrones ".

El nuevo microscopio diseñado por Lev y sus colegas utiliza un condensado de Bose-Einstein, que tiene una sensibilidad que no depende de la temperatura de la muestra que se está analizando. Además de su función de sonda dual, De este modo, el microscopio puede recopilar mediciones muy precisas a cualquier temperatura, desde la habitación hasta la temperatura criogénica, de forma no invasiva.

El estudio reciente llevado a cabo por Lev y sus colegas tiene varias implicaciones importantes. Más destacado, demuestra, Por primera vez, el potencial del SQCRAMscope de los investigadores para estudiar fenómenos físicos.

Usando el SQCRAMscope, los investigadores pudieron recolectar las primeras imágenes locales de transiciones nemáticas en superconductores pnictide de hierro. Estas imágenes ofrecen una nueva información valiosa sobre cómo y cuándo tienen lugar estas transiciones. En sus próximos estudios, los investigadores planean usar su sensor cuántico para investigar más la nematicidad, así como explorar fenómenos físicos en otros materiales cuánticos complejos.

"Hemos compilado una larga lista de materiales interesantes para estudiar ahora que el SQCRAMscope está en pleno funcionamiento, "Lev dijo." Estos o exhiben transporte de electrones protegido topológicamente o están fuertemente correlacionados (es decir, los electrones interactúan y se mueven en una danza complicada entre sí, con la consecuencia de que al menos algunos aspectos de su física siguen siendo a menudo un misterio) ".

© 2020 Science X Network