Onderzoekers van Stanford University hebben onlangs een diepgaande studie uitgevoerd van nematische overgangen in supergeleiders van ijzerpnictide. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , presenteert nieuwe beeldgegevens van deze overgangen verzameld met behulp van een microscoop die ze hebben uitgevonden, genaamd de scanning quantum cryogene atoommicroscoop (SQCRAMscope).

"Een paar jaar geleden hebben we een nieuw type scanning probe-microscoop uitgevonden, Benjamin L. Lev, de onderzoeker die het onderzoek leidde, vertelde Phys.org. "Je kunt het zien als een normale optische microscoop, maar in plaats van dat de lens zich concentreerde op een voorbeelddia, de focus ligt op een kwantumgas van atomen die in de buurt van het monster zweven."

In de nieuwe microscoop uitgevonden door Lev en zijn collega's, atomen worden met behulp van magnetische velden naar boven gehaald uit een 'atoomchip'-vangapparaat, totdat ze zich slechts een micron boven het monsterglaasje bevinden. Deze atomen kunnen de magnetische velden die uit het monster komen, omzetten in het licht dat wordt opgevangen door de lens van de microscoop. Als resultaat, SQCRAMscope kan worden gebruikt om magnetische velden af ​​te beelden.

"De atomen die we gebruiken zijn ultrakoud en in een kwantumtoestand:ze hebben een temperatuur van bijna het absolute nulpunt en behoren tot de koudste gassen in het bekende universum, " zei Lev. "Als zodanig, ze dienen als de beste laagfrequente magnetische veldsensoren op micronschaal. De atomen kunnen over het materiële oppervlak worden gescand, waardoor we een 2D-beeld kunnen maken van de velden in de buurt."

Door de afstand tussen de atomen in de microscoop en het oppervlak van een materiaal te berekenen, de onderzoekers kunnen afbeeldingen van magnetische veldbronnen terugdraaien. Magnetische veldbronnen kunnen, bijvoorbeeld, elektronen zijn die zich verplaatsen of een algemene magnetisatie in een materiaal.

Door deze bronnen in beeld te brengen terwijl ze worden gekoeld met behulp van een hulpmiddel dat bekend staat als 'cryostaat', zouden uiteindelijk nieuwe fysieke verschijnselen kunnen worden onthuld die optreden bij verschillende faseovergangen. De door Lev en zijn collega's ontwikkelde microscoop zou dus kunnen dienen als een gloednieuwe kwantumsensor voor het afbeelden van magnetische velden afkomstig van verschillende materialen, mogelijk leidend tot nieuwe fascinerende ontdekkingen.

"Toen we eenmaal hadden aangetoond dat de SQCRAMscope werkt, we begonnen te zoeken naar een beste eerste wetenschappelijke toepassing ervoor, Lev legde uit. "Op ijzer gebaseerde (pnictide) supergeleiders leken ideale kandidaten, omdat ze interessant elektronentransportgedrag vertonen op de micronlengteschaal bij toegankelijke temperaturen."

IJzerpnictide-supergeleiders hebben een aantal ongewone en intrigerende eigenschappen. Tot op de dag van vandaag, natuurkundigen zijn onzeker over hoe hoge-kritische temperatuur (hoge Tc) supergeleiding, zoals die waargenomen in deze materialen, werken. Op ijzer gebaseerde supergeleiders werden voor het eerst ontdekt rond 2008. Interessant is dat uit onderzoek bleek dat ze gedrag vertoonden dat vergelijkbaar was met dat van cuprate-supergeleiders.

"Deze 'onconventionele' supergeleiders (in tegenstelling tot de conventionele zoals aluminium bij lage temperaturen) bestaan ​​​​bekend in de cuprate-materialen, ontdekt in het midden van de jaren 80, " zei Lev. "Het mechanisme dat aan hun supergeleiding ten grondslag ligt, blijft een mysterie. Onderzoekers die werkzaam zijn in ons vakgebied hopen dat het ophelderen van dit mechanisme robuuste, kamertemperatuur, en omgevingsdruk supergeleiders voor gebruik in een breed scala aan technologieën."

Een belangrijke overeenkomst tussen curprate en op ijzer gebaseerde supergeleiders is dat beide materialen ongebruikelijke elektronische fasen van materie vertonen, aan de warmere kant van supergeleiding. Twee van de meest bekende van deze fasen van materie zijn de 'vreemde metalen' en de 'elektronennematische' fasen. De elektronennematische fase is een voorbeeld van een kwantum vloeibaar kristal, vergelijkbaar met de klassieke vloeibare kristallen in LCD-schermen.

"Deze klassieke kristallen zijn nematica, wat betekent dat de staafachtige moleculen allemaal in één richting zijn uitgelijnd, het breken van de rotatiesymmetrie van het materiaal, ' zei Lev. 'Met andere woorden, de moleculen kiezen een voorkeursrichting om langs te wijzen. Theoretici van de gecondenseerde materie in de jaren 90 begonnen na te denken over hoe elektronen hetzelfde zouden kunnen doen. Niet dat elektronen allesbehalve puntachtig zijn (voor zover we nu weten), maar dat onder een kritische overgangstemperatuur, ze zouden besluiten om bij voorkeur te stromen (d.w.z. gedrag of transport) langs een bepaalde richting in een kristal, opnieuw het breken van rotatiesymmetrie; dit zou verschijnen als een anisotropie in de soortelijke weerstand van het materiaal."

Hoewel elektronennematica consequent is waargenomen in op ijzer gebaseerde supergeleiders, onderzoekers zijn nog steeds onzeker over de redenen waarom ze ontstaan ​​​​en de relevantie van deze unieke fase van materie voor de supergeleidende fase bij lagere temperaturen. De theorie heeft nog niet definitief bepaald of deze fase belemmert, verbetert of speelt een kleine rol bij het bepalen van de Tc van de supergeleidende fase van het materiaal.

Pnictiden zouden ideale materialen kunnen zijn voor de studie van elektronennematica, omdat elektronen daarin ook een spontane vervorming van hun kristalroosterstructuur veroorzaken. In feite, onderzoek uit het verleden heeft uitgewezen dat naarmate de elektronische weerstand van deze materialen anisotroop wordt, hun rooster vervormt van een vierkantachtige naar een parallellogramachtige vorm (d.w.z. van tetragonaal naar orthorhombisch).

Deze transformatie heeft twee belangrijke gevolgen. Ten eerste, de resulterende structurele domeinen hebben een soortelijke anisotropie die in orthogonale richtingen wijst. Ten tweede, het feit dat de roostervervorming de polarisatie van gereflecteerd licht roteert, maakt het mogelijk om deze domeinen te observeren met behulp van optische microscopen.

"Helaas, het eerste gevolg bemoeilijkt transportmetingen, Lev legde uit. "Je kunt de anisotropie van de soortelijke weerstand niet zomaar meten met een ohmmeter, omdat het signaal over de flipping-domeinstructuur tot nul gemiddeld wordt. Dat is waar we binnenkomen. We vermijden dit middelingsprobleem door een lokale sonde te gebruiken om de lokale anisotropie domein voor domein in beeld te brengen door de richtingen te zien waarin de elektronen stromen door het magnetische veld dat ze werpen te detecteren.

Lev en zijn collega's waren de eersten die met succes de lokale weerstandsanisotropie in ijzerpnictide-supergeleiders in beeld brachten. Een van de redenen waarom ze succesvol waren, is dat de sonde die ze gebruikten kan werken bij verhoogde temperaturen (~130 K), zoals die waarbij deze unieke overgang plaatsvindt.

"Een standaard sonde, zoals het scannen van SQUID-magnetometrie kan bij deze temperaturen niet echt afbeeldingen met een hoge resolutie weergeven omdat het apparaat zelf te warm wordt en niet meer werkt met een hoge gevoeligheid, " zei Lev. "In tegenstelling, onze sonde is slechts een gas van atomen die geen warmte van het monster opnemen. Bovendien, omdat de atomen transparant zijn voor de meeste lichtgolflengten, we waren in staat om een ​​licht op het oppervlak te laten schijnen om deze domeinstructuren in beeld te brengen terwijl we de magnetometriescans maakten."

Door de domeinstructuren in beeld te brengen en tegelijkertijd magnetometriescans vast te leggen, de onderzoekers waren in staat om de exacte locaties te identificeren die ze in het materiaal scanden en bepalen of de verschuiving in roosterstructuren waargenomen in ijzerpnictide-supergeleiders inderdaad optreedt bij dezelfde kritische temperatuur als hun elektronische nematiciteit. Met behulp van dit dubbele sondesysteem, Lev en zijn collega's konden hun observaties bevestigen, wat nooit is bereikt bij het gebruik van andere meetapparatuur.

"De lokale beeldvormingscapaciteit van ons apparaat stelde ons in staat om een ​​scherpere elektronennematische overgang te meten en te zien dat deze plaatsvond bij dezelfde temperatuur als de structurele overgang, " zei Lev. "De algemene onderzoeksgemeenschap vroeg vaak of deze overgangen inderdaad bij dezelfde temperatuur plaatsvonden, en we hebben laten zien dat ze dat inderdaad doen, tenminste op de micron-tot-tientallen micron lengteschaal."

De nieuwe microscoop ontworpen door Lev en zijn collega's maakt gebruik van een Bose-Einstein condensaat, die een gevoeligheid heeft die niet afhankelijk is van de temperatuur van het monster dat wordt geanalyseerd. Naast de dubbele sondefunctie, de microscoop kan dus zeer nauwkeurige metingen verzamelen bij alles van kamer- tot cryogene temperaturen, op een niet-invasieve manier.

De recente studie van Lev en zijn collega's heeft een aantal belangrijke implicaties. Het meest opvallend is, Het laat zien, voor de allereerste keer, het potentieel van de SQCRAMscope van de onderzoekers voor het bestuderen van fysieke verschijnselen.

Met behulp van de SQCRAMscope, de onderzoekers waren in staat om de eerste lokale beelden van nematische overgangen in ijzerpnictide-supergeleiders te verzamelen. Deze beelden bieden nieuwe waardevolle inzichten over hoe en wanneer deze transities plaatsvinden. In hun volgende studies, de onderzoekers zijn van plan hun kwantumsensor te gebruiken om nematiciteit verder te onderzoeken, evenals om fysieke verschijnselen in andere complexe kwantummaterialen te onderzoeken.

"We hebben een lange lijst met spannende materialen samengesteld om te bestuderen nu de SQCRAMscope volledig operationeel is, " zei Lev. "Deze vertonen ofwel topologisch beschermd elektronentransport of zijn sterk gecorreleerd (d.w.z. de elektronen interageren en bewegen in een ingewikkelde dans met elkaar, met als gevolg dat in ieder geval sommige aspecten van hun fysica vaak nog een mysterie zijn)."

© 2020 Wetenschap X Netwerk