De chemische potentiaal is een fundamenteel concept in de fysica van de gecondenseerde materie. Hoewel de relevante vergelijkingen die het definiëren te vinden zijn in elk niet-gegradueerd natuurkundeboek, de temperatuurafhankelijkheid in systemen die goede geleiders zijn, is meestal onbeduidend. Als resultaat, ondanks intensieve onderzoeksinteresse in FeSe, een onconventionele supergeleider met verschillende buitengewone eigenschappen, de temperatuurafhankelijkheid van de chemische potentiaal is eerder over het hoofd gezien.

In een recent artikel gepubliceerd als suggestie van een redacteur in Fysieke beoordeling B , samenwerking tussen het I05 beamline-team van Diamond Light Source en Royal Holloway University of London hebben aangetoond dat, gebaseerd op de fijne details van de elektronische structuur van het materiaal, een aanzienlijke variatie van het chemische potentiële effect is te verwachten. Vervolgens testten ze deze hypothese met behulp van hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopiemetingen (ARPES) met hoge resolutie bij de ARPES-bundellijn (I05) bij Diamond, experimenteel een nog groter effect vinden dan in hun theoretische modellering. Anderzijds, de verschuiving van de chemische potentiaal is het enige waargenomen effect, een alternatief scenario uitsluiten waarin de elektronische banden continu door zichzelf evolueren als een functie van de temperatuur. De resultaten hebben belangrijke implicaties voor het begrip van het ingewikkelde gedrag van FeSe, vooral bij hogere temperaturen.

Het chemische potentieel – altijd belangrijk, maar soms over het hoofd gezien

Elektronen in vaste stoffen houden zich aan twee basisregels:ten eerste kunnen ze niet dezelfde toestand delen als een ander elektron, en ten tweede houden ze er over het algemeen van om de laagst beschikbare energietoestanden te bezetten. Als resultaat, elektronen 'vullen' alle beschikbare toestanden vanaf de laagste beschikbare energietoestanden, één elektron per staat, tot een niveau waarop alle elektronen zijn geteld. Wetenschappers noemen het niveau dat de bezette toestanden scheidt van de onbezette toestanden de 'chemische potentiaal'. Dingen worden een beetje wazig bij hoge temperatuur, omdat thermische energiefluctuaties ervoor zorgen dat elektronen kort een toestand boven de chemische potentiaal innemen volgens een bekende kansverdeling, maar het concept van de chemische potentiaal is nog steeds erg bruikbaar, en duikt overal op in de fysica van de gecondenseerde materie (en ook in de chemie, Zoals de naam al doet vermoeden). In feite is de temperatuurafhankelijkheid van de chemische potentiaal een belangrijk concept in de halfgeleiderfysica, een cruciale rol spelen bij het bepalen van de temperatuurafhankelijkheid van de weerstand van het monster, bijvoorbeeld. Maar in goede metalen, bijvoorbeeld elementair koper, de chemische potentiaal is nog steeds een belangrijke parameter, maar eventuele veranderingen van de chemische potentiaal variëren als functie van de temperatuur zijn meestal onbeduidend.

De unieke eigenschappen van FeSe

In dit onderzoek, de onderzoekers richtten zich op een onverwacht sterke temperatuurafhankelijkheid van de chemische potentiaal in FeSe. Waarom FeSe? Kortom:het lijkt misschien een eenvoudig systeem met slechts twee elementen, waarbij de monsters zijn opgebouwd uit lagen vierkante Fe-Se-netten, maar de fascinerende eigenschappen ervan hebben de aandacht getrokken van vele experimentele en theoretische groepen over de hele wereld. FeSe is een proeftuin geworden voor theorieën die beweren het fenomeen van onconventionele en hoge temperatuur supergeleiding in de bredere familie van op ijzer gebaseerde supergeleiders te verklaren. Terwijl de supergeleiding in normaal FeSe pas begint bij 8 graden boven het absolute nulpunt (8 Kelvin, -265 °C), deze 'kritische temperatuur' kan verviervoudigd worden door er heel stevig in te knijpen (bij 8000 maal atmosferische druk), en is misschien wel 100 Kelvin (d.w.z. 100 graden boven het absolute nulpunt, -173°C) wanneer het op een bepaalde manier als een enkele laag wordt gekweekt. Terug in de normale monsters van FeSe, er is ook aangetoond dat de supergeleiding sterk en ongewoon wordt beïnvloed door het feit dat de vierkante netten bij 90 Kelvin (-183°C) in feite licht vervormen tot rechthoeken.

Al deze intrigerende fysische eigenschappen vormen een uitstekende motivatie om de elektronische toestanden in het monster te bestuderen. De techniek bij uitstek is hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie (ARPES); waarbij een intense lichtstraal (fotonen) op een monster wordt gericht, die elektronen uitzendt volgens het foto-elektrisch effect, zoals Einstein in 1905 voor het eerst begreep. Door de energie en het momentum van de elektronen die op deze manier uit het monster werden geschopt te analyseren, wetenschappers zijn in staat om de toegestane energie- en momentumrelatie van elektronen in het materiaal in kaart te brengen. In feite, hoge resolutie metingen van de elektronische structuur van FeSe door ARPES bij bundellijn I05 bij Diamond hebben eerder verschillende belangrijke experimentele bijdragen geleverd aan het begrip van dit materiaal, in het bijzonder met betrekking tot de invloed van de vierkant-rechthoekvervorming van de FeSe-lagen, gebeurt onder 90 Kelvin (-183°C). Echter, in deze studie richtten de onderzoekers zich alleen op het meten in de vierkante fase, van 100 Kelvin (-173°C) tot kamertemperatuur (300 Kelvin, 27°C).

Grote temperatuurafhankelijkheid van het voorspelde en waargenomen chemische potentieel in FeSe

De eerste stap voor de onderzoekers was om de experimentele gegevens die zijn verkregen bij 100 Kelvin (-173 °C) te gebruiken om een ​​nauwkeurig theoretisch model te construeren van de elektronische toestanden in het systeem. Dit gebeurde aan de hand van een 'strak bindend model', waarbij men beschouwt dat elektronen op bepaalde Fe-plaatsen in het rooster zitten, en ze vervolgens te laten 'springen' naar naburige locaties. Door de parameters van het model aan te passen, het mogelijk was om een ​​hoge mate van nauwkeurigheid te bereiken, vergeleken met de experimentele resultaten. Ze toonden aan dat dit model een grote temperatuurafhankelijkheid van de chemische potentiaal voorspelde.

De reden om een ​​grote temperatuurafhankelijkheid van de chemische potentiaal te verwachten, is dat hoewel FeSe een metaal is in de zin dat het elektrische stromen kan dragen met een eindige weerstand (boven de supergeleidende overgangstemperatuur), het is verre van een typisch metaal. In feite is het bekend dat er twee soorten ladingsdragers in het systeem zijn, de 'elektronachtige' en 'gatachtige' dragers. Deze namen komen voort uit het gedrag van elektronen in vaste stoffen:de elektronen hebben allemaal interactie met elkaar, dus ze vertonen verre van het gedrag van een vrij elektron in een vacuüm, maar men kan vaak een beschrijving van elektronen gebruiken met een gewijzigde 'effectieve massa', met de termen 'elektronachtig' en 'gatachtig' die verwijzen naar de vraag of die effectieve massa positief is (d.w.z. als een vrij elektron) of negatieve effectieve massa (een gat).

in FeSe, het aantal 'elektronen' en 'gaten' moet gelijk zijn om het systeem in het algemeen neutraal te laden. Eigenlijk moet men wat preciezer zijn dan dit:"de chemische potentiaal bij een bepaalde temperatuur zal zich zodanig aanpassen dat de thermisch gemiddelde populaties van elektronen en gaten gelijk blijven", zei Luke Rhodes, een gezamenlijke PhD-student tussen Diamond en Royal Holloway, en de hoofdauteur van de studie. In FeSe is er een natuurlijke asymmetrie tussen het elektron en gaten; terwijl de elektronen veel beschikbare toestanden hebben boven het chemische potentieel voor elektronen om in te springen met thermische fluctuaties, voor de gaten zijn er bijna geen beschikbaar. Als gevolg van deze asymmetrie, bovenop het feit dat het aantal elektronen en gaten vrij klein is in FeSe, theoretische berekeningen gaven aan dat het verhogen van de temperatuur een substantiële aanpassing van de chemische potentiaal zou vergen.

De onderzoekers wendden zich vervolgens tot ARPES met hoge resolutie bij de I05-bundellijn bij Diamond om dit effect experimenteel te bevestigen. Met behulp van hoogwaardige monsters die zijn gekweekt aan de Universiteit van Oxford, ze maten de elektronische structuur van FeSe als functie van de temperatuur van 100 tot 300 Kelvin (-173°C tot 27°C), die nog niet eerder waren onderzocht. Ze observeerden direct een significante variatie van de chemische potentiaal, die zelfs groter was dan in de theoretische berekening.

Implicaties voor het modelleren van FeSe

Om de verschillende intrigerende eigenschappen van FeSe te begrijpen, theoretici beginnen vaak met modellen van de elektronische structuur en onderzoeken vervolgens wat voor soort neigingen en gevoeligheden het model heeft voor verschillende soorten faseovergangen. Echter, zoals gevonden in dit onderzoek, de details van het model doen er echt toe. "We hebben laten zien dat het belangrijk is om te beginnen met een nauwkeurig theoretisch model, en we hebben ook aangetoond dat er altijd zorgvuldig rekening moet worden gehouden met het chemische potentieel", zei Luke Rhodes. Het onderzoeksteam is nu van plan om hun model te gebruiken om de vierkant-rechthoekige faseovergang van FeSe bij 90 Kelvin (-183°C) te onderzoeken. waar ze vermoeden dat het chemische potentieel ook een belangrijke rol speelt.