Investigadores del grupo de Espectroscopía de Materiales Cuánticos de PSI junto con científicos de la Universidad Normal de Beijing han resuelto un enigma en la vanguardia de la investigación sobre superconductores a base de hierro:el origen de la nematicidad electrónica de FeSe. Utilizando la dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en Swiss Light Source (SLS), descubrieron que, sorprendentemente, este fenómeno electrónico está impulsado principalmente por el giro. Se cree que la nematicidad electrónica es un ingrediente importante en la superconductividad a alta temperatura, pero aún se desconoce si la ayuda o la dificulta. Sus hallazgos se publican en Nature Physics .

Cerca de PSI, donde el bosque suizo está siempre presente, a menudo hay montones de troncos increíblemente limpios. Los troncos en forma de cuña para leña se apilan cuidadosamente a lo largo pero sin pensar en su rotación. Cuando las partículas en un material se alinean espontáneamente, como los troncos en estas pilas de troncos, de modo que rompen la simetría rotacional pero conservan la simetría traslacional, se dice que un material está en un estado nemático. En un cristal líquido, esto significa que las moléculas en forma de varilla pueden fluir como un líquido en la dirección de su alineación, pero no en otras direcciones. La nematicidad electrónica ocurre cuando los orbitales electrónicos en un material se alinean de esta manera. Por lo general, esta nematicidad electrónica se manifiesta como propiedades electrónicas anisotrópicas:por ejemplo, resistividad o conductividad que exhiben magnitudes muy diferentes cuando se miden a lo largo de diferentes ejes.

Desde su descubrimiento en 2008, la última década ha visto un enorme interés en la familia de superconductores a base de hierro. Junto con 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. Sin embargo, hasta ahora, el origen físico de esta nematicidad electrónica es un rompecabezas; de hecho, podría decirse que es uno de los acertijos más importantes en el estudio de los superconductores a base de hierro.

Pero, ¿por qué es tan interesante la nematicidad electrónica? La respuesta radica en el enigma siempre emocionante:comprender cómo los electrones se emparejan y logran la superconductividad a altas temperaturas. Las historias de la nematicidad electrónica y la superconductividad están indisolublemente unidas, pero exactamente cómo, y de hecho si compiten o cooperan, es un tema muy debatido.

El impulso por comprender la nematicidad electrónica ha llevado a los investigadores a centrar su atención en un superconductor a base de hierro en particular, el seleniuro de hierro (FeSe). FeSe es algo así como un enigma, ya que posee simultáneamente la estructura cristalina más simple de todos los superconductores a base de hierro y las propiedades electrónicas más desconcertantes.

FeSe entra en su fase superconductora por debajo de una temperatura crítica (T_c ) de 9 K pero tentadoramente cuenta con una T_c sintonizable , lo que significa que esta temperatura se puede aumentar aplicando presión o dopando el material. El material en capas cuasi-2D posee una fase nemática electrónica extendida, que aparece por debajo de aproximadamente 90 K. Curiosamente, esta nematicidad electrónica aparece sin el orden magnético de largo alcance con el que normalmente iría de la mano, lo que lleva a un animado debate en torno a sus orígenes. :a saber, si estos son impulsados ​​​​por grados de libertad orbitales o de espín. La ausencia de orden magnético de largo alcance en FeSe brinda la oportunidad de tener 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 enigma de la nematicidad electrónica en toda la familia de superconductores a base de hierro.

Medición de las anisotropías de excitación de espín con 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 las espectroscopias de emisión y absorción de rayos X, esta técnica es una herramienta muy eficaz para explorar las excitaciones magnéticas o de espín de un material.

"En PSI, tenemos una de las configuraciones más avanzadas para RIXS en el mundo. Entre los primeros en impulsar esta técnica hace 15 años, ahora hemos establecido una instalación muy bien desarrollada para este tipo de experimentos", explica Thorsten Schmitt. , quien dirigió el estudio junto con Xingye Lu de la Universidad Normal de Beijing. "En particular, las características 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 de FeSe utilizando RIXS, los científicos primero tenían que superar un obstáculo práctico. Para medir el comportamiento nemático anisotrópico, la muestra primero necesitaba ser "desemparejada". El maclado ocurre cuando los cristales en capas apiladas se alinean con la misma probabilidad a lo largo de direcciones arbitrarias, ocultando así cualquier información sobre el comportamiento anisotrópico. El desdoblamiento es una técnica común de preparación de muestras cristalográficas, en la que normalmente se aplica una presión a la muestra que hace que los cristales se alineen a lo largo de las direcciones estructurales.

Para FeSe, esto no funciona. Aplique esta presión a FeSe y el material blando simplemente se deforma o se rompe. Por lo tanto, el equipo utilizó un método de separación indirecta, mediante el cual se pega FeSe a un material que puede deshermanarse:arseniuro de hierro y bario (BaFe₂ Como₂ ). "Cuando aplicamos una presión uniaxial a BaFe₂ Como₂ , esto genera una tensión de alrededor del 0,36 %, que es suficiente para desdoblar el FeSe al mismo tiempo", explica Xingye Lu, quien previamente había demostrado su viabilidad junto con Tong Chen y Pengcheng Dai de la Universidad de Rice para estudios de FeSe con neutrones inelásticos. dispersión.

Los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos habían revelado anisotropías de espín en FeSe a bajo energía; pero medida de alto -excitaciones de espín de energía, fueron esenciales para vincular estas fluctuaciones de espín a la nematicidad electrónica. Medir las excitaciones de espín a una escala de energía de aproximadamente 200 meV, muy por encima de la separación de energía entre los niveles de energía orbitales, permitiría descartar los grados de libertad orbitales como fuente de la nematicidad electrónica. Con el desdoblamiento logrado con éxito, los investigadores pudieron probar las excitaciones cruciales de espín de alta energía de FeSe y también de BaFe₂. Como₂ , utilizando RIXS.

Los investigadores estudiaron la anisotropía de espín en la dirección del enlace Fe-Fe. Para juzgar la anisotropía de espín, el equipo midió las excitaciones de espín a lo largo de dos direcciones ortogonales y comparó las respuestas. Al realizar mediciones a temperaturas crecientes, 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 BaFe₂ separado Como₂ , que tiene una estructura de espín anisotrópica bien caracterizada y un orden magnético de largo alcance y lo usó como referencia. Las mediciones de la respuesta de excitación del espín a lo largo de las dos direcciones ortogonales mostraron una clara asimetría:la manifestación de la nematicidad.

Luego, el equipo realizó el mismo experimento en FeSe deshermanado. A pesar de la falta de ordenamiento magnético, observaron una anisotropía de espín muy fuerte con respecto a los dos ejes. "Extraordinariamente, pudimos revelar una anisotropía de espín comparable, si no mayor, a la del ya altamente anisotrópico BaFe₂ Como₂ ", dice 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 alrededor de 200 meV, que es mucho mayor que la separación entre los niveles orbitales, demuestra que la nematicidad electrónica en el FeSe está impulsada principalmente por el espín. "Fue una gran sorpresa", explica Thorsten Schmitt. "Ahora podríamos establecer la conexión entre la nematicidad electrónica, que se manifiesta como resistividad anisotrópica, con la presencia de nematicidad en las excitaciones de espín".

Pero, ¿qué significan estos hallazgos? La interacción entre el magnetismo, la nematicidad electrónica y la superconductividad es un tema clave en los superconductores no convencionales. Se cree que las fluctuaciones cuánticas de la nematicidad electrónica pueden promover la superconductividad a alta temperatura en los superconductores a base de hierro. Estos hallazgos brindan una visión buscada durante mucho tiempo sobre el 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 superconductores basados ​​en hierro y, además, si las sospechas de que puede surgir en otras direcciones que no sean el eje del enlace Fe-Fe son correctas. + Explora más

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