RIKEN-natuurkundigen hebben een ideaal platform gevonden voor het onderzoeken van het gedrag van elektronen in een materiaal dat supergeleiding nadert. Dit zou kunnen helpen bij de ontwikkeling van nieuwe supergeleiders die bij geschiktere temperaturen werken dan de bestaande. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review B .

Supergeleiders transporteren elektrische stroom zonder enige weerstand en worden bijvoorbeeld gebruikt in krachtige elektromagneten en magnetische sensoren. Maar supergeleiding treedt over het algemeen alleen op bij lage temperaturen, dus zoeken onderzoekers naar supergeleiders voor hoge temperaturen die een veel breder scala aan toepassingen kunnen bieden. Het uiteindelijke doel is om materialen te vinden die supergeleidend zijn bij kamertemperatuur.

Supergeleiding in zogenaamde conventionele supergeleiders treedt op wanneer elektronen paren. Deze koppeling voorkomt dat de elektronen zich verspreiden terwijl ze door een materiaal stromen.

Sommige materialen komen, wanneer ze deze supergeleidende toestand naderen, in een ‘nematische fase’ terecht waarin elektronen zich in strepen uitlijnen. "Er wordt aangenomen dat nematiciteit nauw verwant is aan supergeleiding", legt Yuya Kubota van het RIKEN SPring-8 Center uit. "Het precieze verband tussen nematiciteit en supergeleiding is echter nog niet volledig duidelijk."

Om deze relatie te onderzoeken, hebben Kubota en zijn collega's zich tot een materiaal genaamd ijzerselenide gewend, dat alleen supergeleidt bij de zeer lage temperatuur van –265°C, wat slechts 8° boven het absolute nulpunt ligt. Maar supergeleiding bij hogere temperaturen kan worden bereikt door druk uit te oefenen of door de chemische samenstelling van het materiaal aan te passen, wat mogelijk de weg wijst naar meer algemene strategieën voor het maken van supergeleiders bij hoge temperaturen.

IJzerselenide komt de nematische fase binnen bij ongeveer –183°C. In deze fase verandert de rangschikking van atomen in het kristalrooster van het materiaal en kunnen bepaalde elektronen verschillende energietoestanden aannemen. Onderzoekers hebben lang gedebatteerd over het relatieve belang van deze structurele en elektronische factoren voor het aansturen van nematiciteit.

Het team van Kubota heeft nu een antwoord bedacht. Ze bestudeerden een ultradunne film van ijzerselenide op een basis van lanthanaluminaat, die de structurele verandering tijdens de overgang naar de nematische fase onderdrukte.

De onderzoekers ontdekten alle elektronische kenmerken van een overgang naar de nematische fase, ook al bleef de roosterstructuur hetzelfde. Dit suggereert dat de nematische fase alleen voortkomt uit veranderingen in de energietoestanden van bepaalde elektronen.

De onderzoekers verwachten dat ze met hun dunnefilmmateriaal het gedrag van elektronen in de nematische fase kunnen onderzoeken, zonder de complicerende factor van eventuele begeleidende structurele veranderingen. "Dit zou ons kunnen helpen een dieper inzicht te krijgen in de relatie tussen nematiciteit en supergeleiding, en het mechanisme van supergeleiding", zegt Kubota. "En dit zou op zijn beurt het onderzoek naar supergeleiders op kamertemperatuur kunnen versnellen."

Meer informatie: Y. Kubota et al, Pure nematische toestand in de op ijzer gebaseerde supergeleider FeSe, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L100501

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling B

Aangeboden door RIKEN