Een groep onderzoekers van instellingen in Korea en de Verenigde Staten heeft bepaald hoe een soort elektronenmicroscopie kan worden gebruikt om regio's binnen een op ijzer gebaseerde supergeleider te laten schakelen tussen supergeleidende en niet-supergeleidende toestanden. Deze studie, gepubliceerd in de editie van 1 december van Fysieke beoordelingsbrieven , is de eerste in zijn soort, en het opent een deur naar een nieuwe manier van manipuleren en leren over supergeleiders.

De op ijzer gebaseerde supergeleiders, waarvan er één in dit werk werd bestudeerd, zijn een van de vele klassen van deze fascinerende materialen, die het vermogen hebben om elektriciteit te geleiden met vrijwel nul weerstand onder een bepaalde temperatuur. Wetenschappers werken nog steeds aan de complexe details op atomair niveau die ten grondslag liggen aan het elektronische en magnetische gedrag van deze materialen. De op ijzer gebaseerde materialen, vooral, Het is bekend dat ze intrigerende verschijnselen vertonen die verband houden met naast elkaar bestaande supergeleidende en magnetische toestanden.

Hier, onderzoekers bestudeerden een verbinding bestaande uit strontium (Sr), vanadium (V), zuurstof (O), ijzer (Fe), en arseen (As), met een structuur bestaande uit afwisselend FeAs en Sr ₂ VO ₃ lagen. Ze onderzochten de magnetische en elektronische eigenschappen ervan met een spin-gepolariseerde scanning tunneling microscoop (SPSTM), een apparaat dat een atomair scherpe metalen punt - slechts een paar atomen breed - over het oppervlak van een monster haalt. De punt en het monster raken elkaar niet, maar worden op kwantumschaal in de buurt van elkaar gebracht, zodat een voorspanning die ertussen wordt aangelegd een stroom tussen de punt en het monster veroorzaakt. In dit geval, de stroom is spin-gepolariseerd, wat betekent dat zijn elektronen meestal dezelfde spin hebben - het kleine magnetische veld gedragen door een elektron dat ofwel "omhoog" of "omlaag wijst, " als een staafmagneet.

Typisch, de FeAs-laag van dit materiaal is sterk supergeleidend en geeft de voorkeur aan een bepaalde magnetische orde, nagesynchroniseerde C ₂ volgorde, dat verwijst naar hoe de magnetische velden van zijn atomen (die ontstaan, beurtelings, tot elektronenspins) zijn gerangschikt. Resultaten van de SPSTM-scan laten zien dat de geïnjecteerde spin-gepolariseerde stroom, wanneer voldoende hoog, induceert een andere magnetische orde, C ₄ volgorde, in de FeAs-laag. In datzelfde gebied, supergeleiding verdwijnt op de een of andere manier op magische wijze.

"Voor zover we weten, onze studie is het eerste rapport van een directe real-space observatie van dit type controle door een lokale sonde, evenals de eerste demonstratie op atomaire schaal van de correlatie tussen magnetisme en supergeleiding, " zei de corresponderende auteur van het artikel, Jhinhwan Lee, een natuurkundige aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology, tot Phys.org .

Lee en zijn groep introduceerden nieuwe manieren om SPSTM uit te voeren met behulp van een antiferromagnetische chroom (Cr) tip. Een antiferromagneet is een materiaal waarin de magnetische velden van zijn atomen zijn geordend in een afwisselend omhoog-omlaagpatroon, zodat het een minimaal verdwaald magnetisch veld heeft dat onbedoeld lokale supergeleiding kan doden (wat kan gebeuren met ferromagnetische tips, zoals Fe-tips, die andere SPSTM-onderzoekers gebruiken). Ze vergeleken deze Cr-tipscans met die met een niet-gepolariseerde wolfraamtip (W). Bij lage voorspanningen, de oppervlaktescans waren kwalitatief identiek. Maar toen de spanning werd verhoogd met behulp van de Cr-tip, het oppervlak begon te veranderen, het onthullen van de C ₄ magnetische symmetrie. de C ₄ bestelling gehouden, zelfs wanneer de spanning weer werd verlaagd, hoewel het werd gewist wanneer het thermisch werd uitgegloeid (warmtebehandeld) boven een specifieke temperatuur waarboven elke magnetische orde in de FeAs-laag verdwijnt.

Om de verbinding tussen de C . te bestuderen ₄ magnetische orde en de onderdrukking van supergeleiding, Lee en zijn groep voerden SPSTM-scans met hoge resolutie uit van de C ₄ staat met Cr-tips en vergeleek ze met simulaties. De resultaten brachten hen ertoe een mogelijke verklaring te suggereren:dat de lage-energetische spinfluctuaties in de C ₄ staat kan geen paring tussen elektronen bemiddelen. Dit is van cruciaal belang omdat deze elektronenparing, hun natuurlijke drang om elkaar af te stoten trotseren, leidt tot supergeleiding.

Op spin-fluctuatie gebaseerde paring is een theorie van elektronenparen in op ijzer gebaseerde supergeleiders; een andere reeks theorieën gaat ervan uit dat fluctuaties in de elektronenorbitalen de sleutel zijn. Lee en zijn groep zijn van mening dat hun resultaten de eerste lijken te ondersteunen, tenminste in deze supergeleider.

"Onze bevindingen kunnen worden uitgebreid naar toekomstige studies waar magnetisme en supergeleiding worden gemanipuleerd met behulp van spin-gepolariseerde en niet-gepolariseerde stromen, wat leidt tot nieuwe antiferromagnetische geheugenapparaten en transistors die supergeleiding regelen, " zei Leen.

© 2017 Fys.org