Forskare vid Stanford University har nyligen genomfört en djupgående studie av nematiska övergångar i järnpnictid-supraledare. Deras papper, publicerad i Naturfysik , presenterar nya bilddata för dessa övergångar insamlade med hjälp av ett mikroskop de uppfann, kallat det skanande kvantkryogena atommikroskopet (SQCRAMscope).

"Vi uppfann en ny typ av skanningssondmikroskop för några år sedan, " Benjamin L. Lev, forskaren som ledde studien, berättade för Phys.org. "Man kan tänka på det som ett vanligt optiskt mikroskop, men istället för att linsen fokuserar på en provbild, fokus ligger på en kvantgas av atomer som svävar nära provet. "

I det nya mikroskopet som uppfanns av Lev och hans kollegor, atomer svävar från en "atomchip"-fångningsanordning med hjälp av magnetfält, tills de bara är en mikron över provglaset. Dessa atomer kan omvandla magnetfälten som emanerar från provet till ljuset som samlas upp av mikroskopets lins. Som ett resultat, SQCRAMscope kan användas för att avbilda magnetiska fält.

"Atomerna vi använder är ultrakalla och i ett kvanttillstånd:de har nära absolut nolltemperatur och är bland de kallaste gaserna i det kända universum, " sa Lev. "Som sådan, de fungerar som de bästa lågfrekventa magnetfältssensorerna i mikronskala. Atomerna kan skannas över materialytan, så att vi kan spela in en 2D-bild av fälten i närheten."

Genom att beräkna avståndet mellan atomerna i mikroskopet och ett materials yta, forskarna kan backa ut bilder av magnetfältskällor. Magnetfältkällor kan, till exempel, vara elektroner som rör sig eller en allmän magnetisering inuti ett material.

Att avbilda dessa källor samtidigt som de kyls ned med ett verktyg som kallas "kryostat" kan i slutändan avslöja nya fysiska fenomen som inträffar vid olika fasövergångar. Mikroskopet som utvecklats av Lev och hans kollegor skulle därmed kunna fungera som en helt ny kvantsensor för att avbilda magnetiska fält som härrör från olika material, potentiellt leda till nya fascinerande upptäckter.

"När vi visade att SQCRAMscope fungerar, vi började leta efter den bästa första vetenskapliga användningen av det, "Lev förklarade. "Järnbaserade (pnictid) supraledare verkade vara idealiska kandidater, eftersom de uppvisar intressant elektrontransportbeteende på mikronlängdskalan vid tillgängliga temperaturer."

Järnpnictid-supraledare har ett antal ovanliga och spännande egenskaper. Till denna dag, fysiker är osäkra på hur hög-kritisk temperatur (hög-Tc) supraledning, som den som observeras i dessa material, Arbetar. Järnbaserade supraledare upptäcktes först runt 2008. Intressant nog, forskning visade att de uppvisade vissa beteenden som liknar de hos cuprate superledare.

"Dessa 'okonventionella' supraledare (i motsats till de konventionella som aluminium vid låga temperaturer) finns i kupratmaterialen, upptäcktes i mitten av 80-talet, ", sa Lev. "Mekanismen bakom deras supraledning förblir ett mysterium. Forskare som verkar inom vårt område hoppas att belysande av denna mekanism kommer att ge robusta, rumstemperatur, och omgivande trycksupraledare för användning i en mängd olika teknologier."

En viktig likhet mellan curprate och järnbaserade supraledare är att båda dessa material uppvisar ovanliga elektroniska faser av materia, på den varmare sidan av supraledning. Två av de mest kända bland dessa faser av materia är den "konstiga metallen" och den "elektronnematiska" faserna. Den elektronnematiska fasen är ett exempel på en kvantvätskekristall, liknande de klassiska flytande kristallerna som finns i LCD-skärmar.

"Dessa klassiska kristaller är nematiska, vilket betyder att de stavliknande molekylerna alla är inriktade längs en riktning, bryta materialets rotationssymmetri, " sa Lev. "Med andra ord, molekylerna väljer en föredragen riktning att peka längs. Teoretiker av kondenserad materia på 90-talet började fundera på hur elektroner kunde göra samma sak. Inte för att elektroner är något annat än punktliknande (så vitt vi för närvarande vet), men att under en kritisk övergångstemperatur, de skulle bestämma sig för att företräde strömma (dvs. ledning eller transport) längs en viss riktning i en kristall, återigen bryta rotationssymmetri; detta skulle visa sig som en anisotropi i materialets resistivitet."

Även om elektronnematik konsekvent har observerats i järnbaserade supraledare, forskare är fortfarande osäkra på orsakerna till att de uppstår och relevansen av denna unika fas av materia för den supraledande fasen vid lägre temperaturer. Teori har ännu inte definitivt fastställt om denna fas hämmar, förstärker eller spelar liten roll vid bestämning av Tc för materialets supraledande fas.

Pnictider kan vara idealiska material för studier av elektronnematik, eftersom elektroner i dem också orsakar en spontan förvrängning av deras kristallgitterstruktur. Faktiskt, Tidigare forskning har funnit att när den elektroniska resistiviteten hos dessa material blir anisotropisk, deras galler förvrängs från en kvadratliknande till en parallellogramliknande form (dvs. från tetragonal till ortorombisk).

Denna omvandling har två viktiga konsekvenser. För det första, de resulterande strukturella domänerna har en resistivitetsanisotropi som pekar i ortogonala riktningar. För det andra, det faktum att gitterdistorsionen roterar polarisationen av reflekterat ljus gör att man kan observera dessa domäner med hjälp av optiska mikroskop.

"Tyvärr, den första konsekvensen komplicerar transportmätningar, "Lev förklarade. "Man kan inte bara mäta resistivitetsanisotropin med en ohm-mätare eftersom signalens medelvärde är noll över den vända domänstrukturen. Det är där vi kommer in. Vi undviker detta medelvärdesproblem genom att använda en lokal sond för att avbilda den lokala anisotropidomänen för domän genom att se i vilka riktningar elektronerna strömmar genom att detektera magnetfältet de kastar."

Lev och hans kollegor var de första som framgångsrikt avbildade den lokala resistivitetsanisotropin i järnpniktid -superledare. En av anledningarna till att de lyckades är att sonden de använde kan fungera vid förhöjda temperaturer (~130 K), som de där denna unika övergång sker.

"En standardsond, som att skanna SQUID-magnetometri kan inte riktigt avbilda prover vid dessa temperaturer med hög upplösning eftersom själva enheten blir för varm och slutar fungera med hög känslighet, " sa Lev. "Däremot, vår sond är bara en gas av atomer som inte absorberar någon värme från provet. Dessutom, eftersom atomerna är transparenta för de flesta ljusvåglängder, vi kunde skina ett ljus på ytan för att avbilda dessa domänstrukturer samtidigt som vi tog magnetometriskanningarna."

Genom att avbilda domänstrukturerna och samtidigt fånga magnetometriska skanningar, forskarna kunde identifiera de exakta platserna de skannade i materialet och avgöra om förändringen i gitterstrukturer som observerades i järnpnictidsupraledare verkligen inträffar vid samma kritiska temperatur som deras elektroniska nematicitet. Med detta dubbla sondsystem, Lev och hans kollegor kunde bekräfta sina iakttagelser, vilket aldrig har uppnåtts vid användning av andra sonderingsanordningar.

"Vår enhets lokala avbildningsförmåga gjorde det möjligt för oss att mäta en skarpare elektronnematisk övergång och se att den inträffade vid samma temperatur som den strukturella övergången, ", sa Lev. "Det allmänna forskarsamhället frågade ofta om dessa övergångar faktiskt inträffade vid samma temperatur, och vi visade att de verkligen gör det, åtminstone på mikron-till-tiotals mikron längdskalan."

Det nya mikroskopet designat av Lev och hans kollegor använder ett Bose-Einstein-kondensat, som har en känslighet som inte beror på temperaturen på provet som analyseras. Förutom sin dubbla sondfunktion, mikroskopet kan alltså samla in mycket exakta mätningar vid allt från rumstemperaturer till kryogena temperaturer, på ett icke-invasivt sätt.

Den nyligen genomförda studien utförd av Lev och hans kollegor har ett antal viktiga konsekvenser. Framför allt, det visar, för första gången, potentialen i forskarnas SQCRAMscope för att studera fysiska fenomen.

Med hjälp av SQCRAMscope, forskarna kunde samla in de första lokala bilderna av nematiska övergångar i järnpnictid-supraledare. Dessa bilder ger ny värdefull insikt om hur och när dessa övergångar äger rum. I sina nästa studier, forskarna planerar att använda sin kvantsensor för att undersöka nematicitet ytterligare, samt att utforska fysiska fenomen i andra komplexa kvantmaterial.

"Vi har sammanställt en lång lista med spännande material att studera nu när SQCRAMscope är fullt funktionsdugligt, ", sa Lev. "Dessa uppvisar antingen topologiskt skyddad elektrontransport eller är starkt korrelerade (dvs. elektronerna interagerar och rör sig i en komplicerad dans med varandra, med följden att åtminstone vissa aspekter av deras fysik ofta fortfarande är ett mysterium)."

© 2020 Science X Network