Met behulp van een slimme techniek die ervoor zorgt dat weerbarstige kristallen van ijzerselenide op één lijn komen te staan, Natuurkundigen van Rice University hebben een gedetailleerde kaart getekend die de "regels van de weg" voor elektronen onthult, zowel onder normale omstandigheden als op de kritieke momenten net voordat het materiaal verandert in een supergeleider.

In een online onderzoek deze week in het tijdschrift American Physical Society Fysieke beoordeling X ( PRX ), natuurkundige Ming Yi en collega's bieden een bandstructuurkaart voor ijzerselenide, een materiaal dat natuurkundigen lang in verwarring heeft gebracht vanwege zijn structurele eenvoud en gedragscomplexiteit. De kaart, waarin de elektronische toestanden van het materiaal worden beschreven, is een visuele samenvatting van gegevens die zijn verzameld uit metingen van een eenkristal van ijzerselenide terwijl het werd afgekoeld tot het punt van supergeleiding.

Yi begon de hoek-opgeloste foto-emissiespectroscopie-experimenten voor de studie tijdens een postdoctorale periode aan de Universiteit van Californië, Berkeley. De technisch uitdagende experimenten maakten gebruik van krachtig synchrotronlicht van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) om het kristal over te halen om elektronen uit te zenden.

"In zekere zin deze metingen zijn als het maken van foto's van elektronen die uit het materiaal vliegen, " zei ze. "Elke foto vertelt de levens die de elektronen leefden vlak voordat ze door fotonen uit het materiaal werden geschopt. Door alle foto's te analyseren, we kunnen de onderliggende fysica samenvoegen die al hun verhalen verklaart."

Roodlichtcamera's voor elektronen

De elektronendetector volgde zowel de snelheid als de richting waarin elektronen zich voortplantten wanneer ze door het kristal werden uitgezonden. Die informatie bevatte belangrijke aanwijzingen over de kwantummechanische wetten die de verkeerspatronen op grotere, microscopische schaal, waar wordt aangenomen dat de belangrijkste aspecten van supergeleiding ontstaan.

Deze regels zijn gecodeerd in de elektronische structuur van een materiaal, zei Yi.

"Ze zijn als een elektronische vingerafdruk van een materiaal, "zei ze. "Elk materiaal heeft zijn eigen unieke vingerafdruk, die de toegestane energietoestanden beschrijft die elektronen kunnen innemen op basis van de kwantummechanica. De elektronische structuur helpt ons beslissen, bijvoorbeeld, of iets een goede geleider of een goede isolator of een supergeleider zal zijn."

Wanneer dingen zijwaarts gaan

Elektrische weerstand is de oorzaak van draden, smartphones en computers warm worden tijdens gebruik, en het kost elk jaar miljarden dollars aan verloren stroom op elektriciteitsnetten en koelrekeningen voor datacenters. supergeleiding, de nulweerstandsstroom van elektriciteit, zou dat afval kunnen elimineren, maar natuurkundigen hebben geworsteld om het gedrag van onconventionele supergeleiders zoals ijzerselenide te begrijpen en te verklaren.

Yi zat op de graduate school toen in 2008 de eerste op ijzer gebaseerde supergeleiders werden ontdekt. en ze heeft haar hele carrière ze bestudeerd. In elk van deze, een atoomdikke laag ijzer is ingeklemd tussen andere elementen. Op kamertemperatuur, de atomen in deze ijzerlaag zijn gerangschikt in dambordvierkanten. Maar wanneer de materialen worden afgekoeld in de buurt van het punt van supergeleiding, de ijzeratomen verschuiven en de vierkanten worden rechthoekig. Deze verandering leidt tot richtingsafhankelijk gedrag, of nematiciteit, waarvan wordt aangenomen dat het een belangrijke maar onbepaalde rol speelt bij supergeleiding.

"IJzerselenide is speciaal omdat in alle andere op ijzer gebaseerde materialen, nematiciteit verschijnt samen met magnetische orde, "Zei Yi. "Als je twee orden samen hebt, het is heel moeilijk om te zeggen wat belangrijker is, en hoe elk supergeleiding beïnvloedt. In ijzerselenide, je hebt alleen nematiciteit, dus het geeft ons een unieke kans om te bestuderen hoe nematiciteit zelf bijdraagt ​​aan supergeleiding."

Presteren onder druk

Het resultaat van nematiciteit is dat de verkeerspatronen van elektronen - en de kwantumregels die de patronen veroorzaken - heel anders kunnen zijn voor elektronen die van rechts naar links stromen, langs de lange as van de rechthoeken, dan voor de elektronen die langs de korte as op en neer stromen. Maar om die verkeerspatronen in ijzerselenide duidelijk te zien, was een uitdaging vanwege twinning, een eigenschap van de kristallen die ervoor zorgt dat de rechthoeken willekeurig 90 graden van richting veranderen. Twinning betekent dat rechthoeken met een lange as ongeveer de helft van de tijd van links naar rechts lopen en de andere helft op en neer.

Twinning in ijzerselenide maakte het onmogelijk om heldere, metingen van de hele nematische orde in het materiaal tot de rijstfysici Pengcheng Dai en Tong Chen in mei een slimme oplossing voor het probleem publiceerden. Voortbouwend op een detwinning-techniek ontwikkeld door Dai en collega's in 2014, Chen ontdekte dat hij fragiele kristallen van ijzerselenide kon ontvlechten door ze op een stevigere laag bariumijzerarsenide te lijmen en een schroef te draaien om een ​​beetje druk uit te oefenen. De techniek zorgt ervoor dat alle nematische lagen in het ijzerselenide op één lijn komen te liggen.

Dai en Chen waren co-auteurs van de PRX-paper, en Yi zei dat de detwinning-techniek de sleutel was tot het verkrijgen van duidelijke gegevens over de impact van nematiciteit op het elektronische gedrag van ijzerselenide.

"Deze studie zou niet mogelijk zijn geweest zonder de detwinning-techniek die Pengcheng en Tong ontwikkelden, "Zei Yi. "Het stelde ons in staat om een ​​kijkje te nemen in de rangschikkingen van elektronische toestanden terwijl het materiële systeem zich klaarmaakt voor supergeleiding. We waren in staat om precieze uitspraken te doen over de beschikbaarheid van elektronen die tot verschillende orbitalen behoren die kunnen deelnemen aan supergeleiding wanneer nematische regels moeten worden nageleefd."

Een pad voorwaarts

Yi zei dat de gegevens aantonen dat de omvang van nematische verschuivingen in ijzerselenide vergelijkbaar is met de verschuivingen die worden gemeten in meer gecompliceerde op ijzer gebaseerde supergeleiders die ook een magnetische orde hebben. Ze zei dat dit suggereert dat de nematiciteit die wordt waargenomen in ijzerselenide een universeel kenmerk kan zijn van alle op ijzer gebaseerde supergeleiders, ongeacht de aanwezigheid van langeafstandsmagnetisme. En ze hoopt dat haar gegevens theoretici in staat stellen om die mogelijkheid en anderen te verkennen.

"Deze reeks metingen zal nauwkeurige richtlijnen bieden voor theoretische modellen die tot doel hebben de nematische supergeleidende toestand in op ijzer gebaseerde supergeleiders te beschrijven, " zei ze. "Dat is belangrijk omdat nematiciteit een rol speelt bij het tot stand brengen van supergeleiding in al deze materialen."