Den kemiska potentialen är ett grundläggande begrepp inom den kondenserade materiens fysik. Medan de relevanta ekvationerna som definierar det kan hittas i vilken fysiklärobok som helst, dess temperaturberoende i system som är bra ledare är vanligtvis obetydligt. Som ett resultat, trots ett intensivt forskningsintresse för FeSe, en okonventionell supraledare som uppvisar flera extraordinära egenskaper, den kemiska potentialens temperaturberoende har tidigare förbisetts.

I en nyligen publicerad tidning som ett redaktörsförslag i Fysisk granskning B , samarbete mellan I05 beamline-teamet vid Diamond Light Source och Royal Holloway University of London har visat att, baserat på de fina detaljerna i materialets elektroniska struktur, en betydande variation av den kemiska potentiella effekten kan förväntas. De testade sedan denna hypotes med hjälp av högupplösta vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi (ARPES) vid ARPES-strållinjen (I05) vid Diamond, hitta en ännu större effekt experimentellt än i deras teoretiska modellering. Å andra sidan, skiftningen av den kemiska potentialen är den enda observerade effekten, utesluter ett alternativt scenario där de elektroniska banden utvecklas kontinuerligt av sig själva som en funktion av temperaturen. Resultaten har viktiga implikationer för förståelsen av det intrikata beteendet hos FeSe, speciellt vid högre temperaturer.

Den kemiska potentialen – alltid viktig, men ibland förbises

Elektroner i fasta ämnen följer två grundläggande regler:för det första kan de inte dela samma tillstånd som en annan elektron, och för det andra gillar de i allmänhet att uppta de lägsta tillgängliga energitillstånden. Som ett resultat, elektroner "fyller upp" alla tillgängliga tillstånd med början från de lägsta tillgängliga energitillstånden, en elektron per tillstånd, upp till en nivå när alla elektroner har räknats. Forskare hänvisar till den nivå som skiljer de ockuperade från de obesatta staterna som den "kemiska potentialen". Saker och ting blir lite flummiga vid hög temperatur, eftersom termiska energifluktuationer tillåter elektroner att kortvarigt ockupera ett tillstånd över den kemiska potentialen enligt en välkänd sannolikhetsfördelning, men konceptet med den kemiska potentialen är fortfarande mycket användbart, och dyker upp över hela den kondenserade materiens fysik (och kemi också, som namnet antyder). Faktum är att den kemiska potentialens temperaturberoende är ett viktigt begrepp inom halvledarfysik, spelar en avgörande roll för att bestämma temperaturberoendet för provets motstånd, till exempel. Men i bra metaller, till exempel elementär koppar, den kemiska potentialen är fortfarande en viktig parameter, men eventuella förändringar av den kemiska potentialen varierar som en funktion av temperaturen är vanligtvis obetydliga.

De unika egenskaperna hos FeSe

I den här studien, forskarna fokuserade på ett oväntat starkt temperaturberoende av den kemiska potentialen i FeSe. Varför FeSe? Kort sagt:det kan verka som ett enkelt system med bara två element, med proverna konstruerade av lager av fyrkantiga Fe-Se-nät, men dess fascinerande egenskaper har väckt intresse från många experimentella och teoretiska grupper över hela världen. FeSe har blivit en testbädd för teorier som utger sig för att förklara fenomenet med okonventionell och hög temperatur supraledning i den bredare familjen av järnbaserade supraledare. Medan supraledningsförmågan i normal FeSe slår in endast vid 8 grader över absoluta nollpunkten (8 Kelvin, -265°C), denna "kritiska temperatur" kan höjas fyra gånger genom att pressa den mycket hårt (vid 8000 gånger atmosfärstrycket), och är kanske så hög som 100 Kelvin (dvs. 100 grader över absoluta nollpunkten, -173°C) när den odlas som ett enda lager på ett speciellt sätt. Tillbaka i de normala proverna av FeSe, det har också visat sig att supraledningsförmågan är starkt och ovanligt påverkad av det faktum att de fyrkantiga näten faktiskt något förvrängs till rektanglar vid 90 Kelvin (-183°C).

Alla dessa spännande fysiska egenskaper ger en utmärkt motivation att studera de elektroniska tillstånden inuti provet. Den valda tekniken är vinkelupplöst fotoemissionsspektroskopi (ARPES); där en intensiv ljusstråle (fotoner) fokuseras på ett prov, som avger elektroner enligt den fotoelektriska effekten, som Einstein först förstod 1905. Genom att analysera energin och rörelsemängden hos de elektroner som sparkades ut ur provet på detta sätt, forskare kan kartlägga det tillåtna energi- och momentumförhållandet för elektroner inuti materialet. Faktiskt, högupplösta mätningar av den elektroniska strukturen av FeSe av ARPES vid strållinje I05 vid Diamond har tidigare gjort flera viktiga experimentella bidrag till förståelsen av detta material, särskilt när det gäller inverkan av fyrkantig rektangelförvrängning av FeSe-skikten, sker under 90 Kelvin (-183°C). Dock, i denna studie fokuserade forskarna på att endast mäta i kvadratfasen, från 100 Kelvin (-173°C) upp till rumstemperatur (300 Kelvin, 27°C).

Stort temperaturberoende av den kemiska potentialen som förutspås och observeras i FeSe

Det första steget för forskarna var att använda de experimentella data som erhölls vid 100 Kelvin (-173°C) för att konstruera en korrekt teoretisk modell av de elektroniska tillstånden i systemet. Detta gjordes med hjälp av en "tight-bindande modell", där man betraktar elektroner som sitter på speciella Fe-ställen i gittret, och sedan låta dem "hoppa" till angränsande platser. Genom att justera modellens parametrar, det var möjligt att uppnå en hög nivå av noggrannhet, jämfört med experimentresultaten. De visade att denna modell förutspådde ett stort temperaturberoende av den kemiska potentialen.

Anledningen till att förvänta sig ett stort temperaturberoende av den kemiska potentialen är att medan FeSe är en metall i den meningen att den kan bära elektriska strömmar med en ändlig resistans (över den supraledande övergångstemperaturen), det är långt ifrån en typisk metall. Det är faktiskt känt att det finns två sorters laddningsbärare i systemet, de "elektronliknande" och "hålliknande" bärarna. Dessa namn kommer från elektronernas beteende i fasta ämnen:alla elektronerna interagerar med varandra så de är långt ifrån att visa beteendet hos en fri elektron i ett vakuum, men man kan ofta använda en beskrivning av elektroner med en modifierad "effektiv massa", med termerna "elektronliknande" och "hålliknande" avser om den effektiva massan är positiv (dvs. som en fri elektron) eller negativ effektiv massa (ett hål).

I FeSe, antalet "elektroner" och "hål" är begränsat till att vara lika för att systemet ska vara neutralt laddat totalt sett. Egentligen måste man vara lite mer exakt än så här:"den kemiska potentialen vid en given temperatur kommer att justeras så att de termiskt medelvärdesbestånden av elektroner och hål förblir lika", sa Luke Rhodes, en gemensam doktorand mellan Diamond och Royal Holloway, och huvudförfattaren till studien. I FeSe finns en naturlig asymmetri mellan elektronen och hålen; medan elektronerna har gott om tillgängliga tillstånd över den kemiska potentialen för elektroner att hoppa upp i med termiska fluktuationer, det finns knappt några tillgängliga för hålen. Som ett resultat av denna asymmetri, utöver det faktum att antalet elektroner och hål är ganska litet i FeSe, teoretiska beräkningar visade att en höjning av temperaturen skulle kräva en väsentlig justering av den kemiska potentialen.

Forskarna vände sig sedan till högupplöst ARPES vid I05-strållinjen vid Diamond för att experimentellt bekräfta denna effekt. Med hjälp av högkvalitativa prover odlade vid University of Oxford, de mätte den elektroniska strukturen hos FeSe som en funktion av temperaturen från 100 till 300 Kelvin (-173°C till 27°C), som inte hade studerats tidigare. De observerade direkt en betydande variation av den kemiska potentialen, vilket var ännu större än i den teoretiska beräkningen.

Implikationer för modellering av FeSe

För att förstå de olika spännande egenskaperna hos FeSe, Teoretiker börjar ofta med modeller av den elektroniska strukturen och undersöker sedan vilken typ av tendenser och mottagligheter modellen har för olika typer av fasövergångar. Dock, som framgår av denna studie, detaljerna i modellen spelar verkligen roll. "Vi har visat att det är viktigt att börja med en korrekt teoretisk modell, och vi har också visat att den kemiska potentialen alltid måste beaktas noggrant", sa Luke Rhodes. Forskargruppen avser nu att använda sin modell för att undersöka den kvadrat-rektangulära fasövergången av FeSe vid 90 Kelvin (-183°C), där de misstänker att den kemiska potentialen också kan spela en viktig roll.