In het pantheon van onconventionele supergeleiders, ijzerselenide is een rockster. Maar nieuwe experimenten door de VS, Chinese en Europese natuurkundigen hebben de magnetische persoonlijkheid van het materiaal onverwacht alledaags gevonden.

Rice University-fysicus Pengcheng Dai, corresponderende auteur van een studie van de resultaten die deze week online zijn gepubliceerd in Natuurmaterialen , bood deze bottom-line beoordeling van ijzerselenide aan:"Het is een op ijzer gebaseerde supergeleider uit de tuin. De fundamentele fysica van supergeleiding is vergelijkbaar met wat we vinden in alle andere op ijzer gebaseerde supergeleiders."

Die conclusie is gebaseerd op gegevens van neutronenverstrooiingsexperimenten die het afgelopen jaar in de VS zijn uitgevoerd, Duitsland en het Verenigd Koninkrijk. De experimenten leverden de eerste metingen op van de dynamische magnetische eigenschappen van ijzerselenidekristallen die een karakteristieke structurele verschuiving hadden ondergaan die optreedt wanneer het materiaal wordt afgekoeld, maar voordat het wordt afgekoeld tot het punt van supergeleiding.

"IJzerselenide is op verschillende manieren compleet anders dan alle andere op ijzer gebaseerde supergeleiders, " zei Dai, een professor in natuurkunde en astronomie bij Rice en lid van Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Het heeft de eenvoudigste structuur, bestaat uit slechts twee elementen. Alle andere hebben ten minste drie elementen en een veel gecompliceerdere structuur. IJzerselenide is ook de enige die geen magnetische volgorde en geen moederverbinding heeft."

Sinds 2008 zijn tientallen op ijzer gebaseerde supergeleiders ontdekt. de ijzeratomen vormen een 2D-plaat die is ingeklemd tussen boven- en onderplaten die uit andere elementen bestaan. In het geval van ijzerselenide, de boven- en onderplaten zijn van puur selenium, maar in andere materialen zijn deze platen gemaakt van twee of meer elementen. In ijzerselenide en andere op ijzer gebaseerde supergeleiders, ijzeratomen in het centrale 2D-vel zijn op dambordwijze uit elkaar geplaatst, precies dezelfde afstand van elkaar in zowel de links-rechts richting als de voorwaartse-achterwaartse richting.

Als de materialen afkoelen, ze ondergaan een lichte structurele verschuiving. In plaats van exacte vierkanten, de ijzeratomen vormen langwerpige ruiten. Dit zijn als honkbaldiamanten, waarbij de afstand tussen de thuisplaat en het tweede honk korter is dan de afstand tussen het eerste en derde honk. En deze verandering tussen ijzeratomen zorgt ervoor dat de op ijzer gebaseerde supergeleiders richtingsafhankelijk gedrag vertonen, zoals verhoogde elektrische weerstand of geleidbaarheid alleen in de richting van huis-naar-tweede of eerste-naar-derde.

Natuurkundigen noemen dit richtingsafhankelijke gedrag anisotropie of nematiciteit, en hoewel bekend is dat structurele nematiciteit voorkomt in ijzerselenide, Dai zei dat het onmogelijk was om de exacte elektronische en magnetische volgorde van het materiaal te meten vanwege een eigenschap die bekend staat als twinning. Twinning treedt op wanneer lagen van willekeurig georiënteerde 2D-kristallen worden gestapeld. Stel je voor 100 honkbaldiamanten op elkaar gestapeld, waarbij de lijn tussen de thuisplaat en het tweede honk voor elk willekeurig varieert.

"Zelfs als er een richtingsafhankelijke elektronische orde is in een verbroederde steekproef, je kunt het niet meten omdat die verschillen gemiddeld worden en je uiteindelijk een netto-effect van nul meet, " zei Dai. "We moesten stalen van ijzerselenide ontvlechten om te zien of er een nematische elektronische orde was."

Studie hoofdauteur Tong Chen, een derdejaars Ph.D. student in de onderzoeksgroep van Dai, loste het twinningprobleem op door slim mee te liften op een onderzoek uit 2014 waarin Dai en collega's druk uitoefenden om kristallen van bariumijzerarsenide te ontbinden. Het was onmogelijk om dezelfde methode toe te passen op selenide ijzer omdat de kristallen 100 keer kleiner waren, dus Chen lijmde de kleinere kristallen bovenop de grotere, redenering dat de druk die nodig is om het grotere monster uit te lijnen, er ook voor zou zorgen dat de lagen ijzerselenide in uitlijning zouden klikken.

Chen bracht weken door met het maken van verschillende monsters om te testen in neutronenverstrooiingsbundels. Ongeveer 20 tot 30 vierkanten van 1 millimeter ijzerselenide moesten worden uitgelijnd en bovenop elk kristal van bariumijzerarsenide worden geplaatst. En het aanbrengen van elk van de kleine vierkantjes was nauwgezet werk waarbij een microscoop nodig was, pincet en speciale, waterstofvrije lijm die bijna $ 1 kost, 000 per ons.

Het werk wierp zijn vruchten af ​​toen Chen de monsters testte en ontdekte dat het ijzerselenide ontdaan was. Die tests met neutronenverstrooiingsbundels in het Oak Ridge National Laboratory, het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, de Technische Universiteit van München en het Britse Rutherford-Appleton Laboratory toonden ook aan dat het elektronische gedrag van ijzerselenide sterk lijkt op dat van andere ijzersupergeleiders.

"De belangrijkste conclusie is dat de magnetische correlaties die geassocieerd zijn met supergeleiding in ijzerselenide zeer anisotroop zijn, net als bij andere ijzeren supergeleiders, " zei Dai. "Dat was een zeer controversieel punt, omdat ijzerselenide, in tegenstelling tot alle andere op ijzer gebaseerde supergeleiders, heeft geen moederverbinding die antiferromagnetische orde vertoont, wat sommigen ertoe heeft gebracht te suggereren dat supergeleiding in ijzerselenide op een heel andere manier ontstond dan in deze anderen. Onze resultaten suggereren dat dit niet het geval is. Je hebt geen geheel nieuwe methode nodig om het te begrijpen."