Физики открыли новый переключатель сверхпроводимости

 При определенных условиях — обычно очень холодных — некоторые материалы изменяют свою структуру, открывая новое, сверхпроводящее поведение. Этот структурный сдвиг известен как «нематический переход», и физики подозревают, что он предлагает новый способ перевода материалов в сверхпроводящее состояние, в котором электроны могут течь без трения.

Фото: phys.org

Но что именно движет этим переходом в первую очередь? Ответ может помочь ученым улучшить существующие сверхпроводники и открыть новые.

Теперь физики Массачусетского технологического института определили ключ к тому, как один класс сверхпроводников подвергается нематическому переходу, и это удивительно контрастирует с тем, что предполагали многие ученые.

Физики сделали свое открытие, изучая селенид железа (FeSe), двумерный материал, который является самым высокотемпературным сверхпроводником на основе железа. Известно, что материал переходит в сверхпроводящее состояние при температуре до 70 кельвинов (около -300 градусов по Фаренгейту). Хотя все еще ультрахолодный, эта температура перехода выше, чем у большинства сверхпроводящих материалов.

Чем выше температура, при которой материал может проявлять сверхпроводимость, тем более перспективным он может быть для использования в реальном мире, например, для создания мощных электромагнитов для более точных и легких аппаратов МРТ или высокоскоростных магнитолевитирующих поездов.

Для этих и других возможностей ученым сначала необходимо понять, что приводит в действие нематический переключатель в высокотемпературных сверхпроводниках, таких как селенид железа. В других сверхпроводящих материалах на основе железа ученые заметили, что это переключение происходит, когда отдельные атомы внезапно сдвигают свой магнитный спин в сторону одного скоординированного предпочтительного магнитного направления.

Но команда Массачусетского технологического института обнаружила, что селенид железа действует по совершенно новому механизму. Вместо скоординированного сдвига спинов атомы в селениде железа претерпевают коллективный сдвиг своей орбитальной энергии. Это прекрасное различие, но оно открывает новые возможности для открытия нетрадиционных сверхпроводников.

«Наше исследование немного перетасовывает вещи, когда дело доходит до консенсуса, который был достигнут в отношении того, что движет нематичностью», — говорит Риккардо Комин, адъюнкт-профессор физики Массачусетского технологического института, выпускник 1947 года. «Есть много путей, чтобы добраться до нетрадиционной сверхпроводимости. Это предлагает дополнительный путь для реализации сверхпроводящих состояний».

Комин и его коллеги опубликовали свои результаты в исследовании, опубликованном в Nature Materials. Соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Коннор Оккиалини, Шуа Санчес и Цянь Сонг, а также Жилберто Фаббрис, Йонгсон Чой, Джонг-Ву Ким и Филип Райан из Аргоннской национальной лаборатории.

После темы

Слово «нематичность» происходит от греческого слова «нема», означающего «нить» — например, для описания нитевидного тела червя-нематоды. Нематичность также используется для описания концептуальных потоков, таких как скоординированные физические явления. Например, при изучении жидких кристаллов можно наблюдать нематическое поведение, когда молекулы собираются в координированные линии.

В последние годы физики использовали нематичность для описания скоординированного сдвига, который переводит материал в сверхпроводящее состояние. Сильные взаимодействия между электронами заставляют материал в целом бесконечно мало растягиваться, как микроскопическая ириска, в одном конкретном направлении, что позволяет электронам свободно течь в этом направлении. Большой вопрос заключался в том, какое взаимодействие вызывает растяжение. В некоторых материалах на основе железа это растяжение, по-видимому, вызвано атомами, которые спонтанно сдвигают свои магнитные спины в одном и том же направлении. Поэтому ученые предположили, что большинство сверхпроводников на основе железа совершают один и тот же переход, управляемый вращением.

Но селенид железа, похоже, противостоит этой тенденции. Материал, который переходит в сверхпроводящее состояние при самой высокой температуре из всех материалов на основе железа, также, по-видимому, не обладает каким-либо скоординированным магнитным поведением.

«Селенид железа имеет наименее ясную историю из всех этих материалов», — говорит Санчес, постдоктор Массачусетского технологического института и научный сотрудник NSF MPS-Ascend. «В этом случае нет магнитного порядка. Поэтому для понимания происхождения нематичности необходимо очень внимательно посмотреть, как электроны располагаются вокруг атомов железа и что происходит, когда эти атомы растягиваются».

Суперконтинуум

В своем новом исследовании исследователи работали с ультратонкими образцами селенида железа миллиметровой длины, которые они приклеивали к тонкой полоске титана. Они имитировали структурное растяжение, которое происходит во время нематического перехода, путем физического растяжения титановой полосы, которая, в свою очередь, растягивала образцы селенида железа. По мере того, как они растягивали образцы на доли микрона за раз, они искали любые свойства, которые изменялись скоординированным образом.

Используя ультраяркие рентгеновские лучи, команда отслеживала, как двигались атомы в каждом образце, а также как вели себя электроны каждого атома. После определенного момента они наблюдали определенный скоординированный сдвиг орбиталей атомов. Атомные орбитали — это, по сути, энергетические уровни, которые могут занимать электроны атома. В селениде железа электроны могут занимать одно из двух орбитальных состояний вокруг атома железа. Обычно выбор того, какое состояние занять, является случайным.

Но команда обнаружила, что по мере того, как они растягивали селенид железа, его электроны стали в подавляющем большинстве предпочитать одно орбитальное состояние другому. Это сигнализировало о четком, скоординированном сдвиге, а также о новом механизме нематичности и сверхпроводимости.

«Мы показали, что существуют разные лежащие в основе физики, когда речь идет о вращении и орбитальной нематичности, и между ними будет континуум материалов», — говорит Окиалини, аспирант Массачусетского технологического института. «Понимание того, где вы находитесь на этом ландшафте, будет важно при поиске новых сверхпроводников».

Источник