I pantheonen av okonventionella supraledare, järn selenid är en rockstjärna. Men nya experiment från USA, Kinesiska och europeiska fysiker har funnit att materialets magnetiska personlighet är oväntat vardagligt.

Rice University fysiker Pengcheng Dai, motsvarande författare till en studie av resultaten publicerade online den här veckan i Naturmaterial , erbjöd denna slutgiltiga bedömning av järnselenid:"Det är en järnbaserad supraledare av trädgårdssort. Den grundläggande fysiken för supraledning liknar vad vi hittar hos alla andra järnbaserade superledare."

Den slutsatsen är baserad på data från neutronspridningsexperiment som utförts under det senaste året i USA, Tyskland och Storbritannien. Experimenten gav de första mätningarna av de dynamiska magnetiska egenskaperna hos järnselenidkristaller som hade genomgått en karakteristisk strukturell förskjutning som inträffar när materialet kyls men innan det kyls till supraledning.

"Järnselenid skiljer sig helt från alla andra järnbaserade superledare på flera sätt, "sa Dai, professor i fysik och astronomi vid Rice och medlem i Rices Center for Quantum Materials (RCQM). "Den har den enklaste strukturen, består av endast två element. Alla andra har minst tre element och mycket mer komplicerad struktur. Järnselenid är också den enda som inte har någon magnetisk ordning och ingen överordnad förening. "

Dussintals järnbaserade supraledare har upptäckts sedan 2008. I varje, järnatomerna bildar ett 2-D-ark som är inklämt mellan topp- och bottenark som består av andra element. När det gäller järnselenid, de övre och nedre arken är rena selen, men i andra material är dessa ark gjorda av två eller flera element. I järnselenid och andra järnbaserade supraledare, järnatomer i det centrala 2-D-arket är åtskilda på schackbräda, exakt samma avstånd från varandra i både vänster-höger riktning och framåt-bakåt riktning.

När materialen svalnar, de genomgår en liten strukturell förändring. Istället för exakta rutor, järnatomerna bildar avlånga romber. Dessa är som baseboll -diamanter, där avståndet mellan hemplatta och andra bas är kortare än avståndet mellan första och tredje bas. Och denna förändring mellan järnatomer får de järnbaserade superledarna att uppvisa riktningsberoende beteende, som ökat elektriskt motstånd eller konduktivitet endast i riktning från hem till sekund eller första till tredje.

Fysiker hänvisar till detta riktningsberoende beteende som anisotropi eller nematicitet, och medan strukturell nematicitet är känd för att förekomma i järnselenid, Dai sa att det har varit omöjligt att mäta materialets exakta elektroniska och magnetiska ordning på grund av en egenskap som kallas vänskap. Twinning sker när lager av slumpmässigt orienterade 2-D-kristaller staplas. Tänk dig 100 basebolldiamanter staplade ovanpå varandra, med gränsen mellan hemplatta och andra bas varierande slumpmässigt för varje.

"Även om det finns riktningsberoende elektronisk order i ett tvinnat prov, du kan inte mäta det eftersom skillnaderna är genomsnittliga och du slutar mäta en nettoeffekt på noll, "Sa Dai." Vi var tvungna att ta bort prover av järnselenid för att se om det fanns en nematisk elektronisk beställning. "

Studera huvudförfattaren Tong Chen, ett tredje års doktorsexamen student i Dais forskargrupp, löste vänskapsproblemet genom att smart piggybacka på en studie från 2014 där Dai och kollegor utövade tryck för att detwin kristaller av bariumjärnarsenid. Det var omöjligt att tillämpa samma metod för järn selenid eftersom kristallerna var 100 gånger mindre, så Chen limmade de mindre kristallerna ovanpå de större, med resonemang om att trycket som behövs för att rikta in det större provet också skulle få lagren av järnselenid att snäppa i linje.

Chen tillbringade veckor med att skapa flera prover för att testa i neutronspridande strålar. Ungefär 20 till 30 1-millimeter kvadrater järnselenid måste justeras och placeras ovanpå varje kristall av bariumjärnarsenid. Och att applicera var och en av de små rutorna var ett noggrant arbete som involverade ett mikroskop, pincett och special, vätefritt lim som kostar nästan $ 1, 000 per uns.

Arbetet gav resultat när Chen testade proverna och fann att järnseleniden avspolades. Dessa tester med neutronspridande strålar vid Oak Ridge National Laboratory, National Institute of Standards and Technology, Tekniska universitetet i München och Storbritanniens Rutherford-Appleton-laboratorium visade också att järn selenids elektroniska beteende är mycket likt det hos andra järn superledare.

"Den viktigaste slutsatsen är att de magnetiska korrelationerna som är associerade med supraledning i järnselenid är mycket anisotropa, precis som de är i andra järn superledare, "Sa Dai." Det har varit en mycket kontroversiell punkt, eftersom järn selenid, till skillnad från alla andra järnbaserade superledare, inte har en moderförening som uppvisar antiferromagnetisk ordning, vilket har fått vissa att föreslå att supraledning uppstod i järnselenid på ett helt annat sätt än det uppstår i dessa andra. Våra resultat tyder på att så inte är fallet. Du behöver inte en helt ny metod för att förstå den. "