Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) verklaren de onderliggende oorzaak achter de verschillende kritische overgangstemperaturen die zijn gerapporteerd voor ultradunne ijzerselenide (FeSe) supergeleiders. Hun resultaten verduidelijken waarom het grensvlak tussen de eerste FeSe-laag en zijn substraat een essentiële rol speelt in supergeleiding, nieuwe inzichten geven in een al lang bestaande puzzel op dit gebied.

Supergeleiders zijn materialen die, onder een bepaalde temperatuur, hebben fascinerende elektromagnetische eigenschappen. Ze vertonen geen weerstand, wat betekent dat ze elektriciteit geleiden zonder energie te verliezen in de vorm van warmte, en kan ook externe magnetische velden volledig afstoten. Door zulke prestaties supergeleiders zijn zeer aantrekkelijk voor fundamentele natuurkundestudies en elektronicatoepassingen.

Hoewel het veertien jaar geleden is dat op ijzer gebaseerde supergeleiders werden ontdekt, wetenschappers hebben nog steeds geen idee van de onderliggende mechanismen van supergeleiding in ultradunne lagen ijzerselenide (FeSe). Terwijl de kritische overgangstemperatuur (Tc) waaronder bulk FeSe zich als supergeleider gedraagt ​​8 K is, significant verschillende waarden zijn gerapporteerd voor monolagen van FeSe-kristallen die uniform zijn gegroeid op een strontiumtitanaat (STO) -substraat; deze waarden variëren van 40 K tot wel 109 K.

In een recente studie gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , Prof. Satoru Ichinokura en collega's van Tokyo Tech werpen enig licht op dit probleem. Ichinokura beschrijft het probleem:"Hoewel verschillende onderzoeken aangeven dat de interface tussen FeSe en STO, of het gebied waar FeSe en STO met elkaar in contact komen, speelt een essentiële rol bij de verbetering van Tc, er is ruimte voor verder werk om de microscopische oorsprong van dit gedrag nauwkeurig te verklaren." er is ook een voortdurende discussie over de diepte waarop supergeleiding optreedt met betrekking tot de dikte van de FeSe-film.

Om deze vragen aan te pakken, de onderzoekers bereidden monsters door FeSe te stapelen met diktes variërend van één tot vijf eenheidscellagen op een isolerend STO-substraat. Door middel van vierpunts-sondemetingen in vacuüm, ze leidden de soortelijke weerstand (het omgekeerde van geleidbaarheid) van de monsters af bij verschillende temperaturen en verschillende diepten. Eerst, ze vonden duidelijk bewijs dat hun elektrische metingen overeenkomen met geleiding langs de FeSe-films, zonder invloed van het onderliggende STO-substraat. Belangrijker, ze observeerden consequent een duidelijke weerstandsdaling bij 40 K (wat het begin van supergeleiding aangeeft, zie figuur ), ongeacht de dikte van de FeSe-laag. Ichinokura merkt op:"Deze resultaten suggereren ondubbelzinnig dat supergeleiding bij hoge temperaturen zich in wezen bevindt op het grensvlak tussen FeSe en STO of bij de onderste FeSe-monolaag zonder zich naar de bovenste te verspreiden."

Nutsvoorzieningen, waarom rapporteerden andere studies verschillende Tc-waarden? Na zorgvuldige bestudering van eerdere werken, Ichinokura en zijn collega's concluderen dat verschillen in het aantal doteermiddelen in het STO-substraat of zuurstofvacatures in de STO-ondergrondse lagen verantwoordelijk zijn voor de variabiliteit in Tc-waarden. In een aantal eerdere onderzoeken de gebruikte fabricageprocedure heeft waarschijnlijk zuurstofvacatures aan het oppervlak van de overigens uniforme STO-laag. In andere, STO gedoteerd met niobium onzuiverheden werd gebruikt. Door deze verschillen in het substraat kunnen meer ladingsdragers (elektronen) de STO/FeSe-interface bereiken, wat resulteert in aanhoudende supergeleiding, zelfs bij hogere temperaturen (met andere woorden, verhoogde Tc).

Opgewonden door deze resultaten, Ichinokura concludeert:"Onze resultaten wijzen sterk op de grensvlakaard van de tweedimensionale supergeleiding waargenomen in FeSe/STO en bevestigen opnieuw het belang van ladingsaccumulatie van het substraat in de interface. We hebben nieuwe inzichten kunnen verkrijgen in de al lang bestaande puzzel van het vinden van een lage Tc van ongeveer 40 K bij het gebruik van isolerende STO-substraten in plaats van geleidende." Deze studie brengt ons een stap dichter bij het ophelderen van de mysteries met betrekking tot de verbeterde supergeleiding.