Med hjälp av en smart teknik som får oroliga kristaller av järnselenid att snäppa i linje, Rice -universitetets fysiker har ritat en detaljerad karta som avslöjar "vägreglerna" för elektroner både under normala förhållanden och i de kritiska ögonblicken strax innan materialet omvandlas till en superledare.

I en studie online i veckan i American Physical Society journal Fysisk granskning X ( PRX ), fysikern Ming Yi och kollegor erbjuder en bandstrukturskarta för järnselenid, ett material som länge har förbryllat fysiker på grund av dess strukturella enkelhet och beteendekomplexitet. Kartan, som beskriver materialets elektroniska tillstånd, är en visuell sammanfattning av data som samlats in från mätningar av en enda kristall av järnselenid när den kyldes till supraledning.

Yi började de vinkelupplösta fotoemissionsspektroskopi-experimenten för studien under en postdoktor vid University of California, Berkeley. De tekniskt utmanande experimenten använde kraftfullt synkrotronljus från Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) för att locka kristallen till att avge elektroner.

"På sätt och vis, dessa mätningar är som att fotografera elektroner som flyger ut ur materialet, "sa hon." Varje fotografi berättar de liv elektronerna levde precis innan de sparkades ut ur materialet av fotoner. Genom att analysera alla foton, vi kan sammanfoga den bakomliggande fysiken som förklarar alla deras berättelser. "

Rödljuskameror för elektroner

Elektrondetektorn spårade både hastigheten och riktningen som elektroner färdades när de sändes ut från kristallen. Den informationen innehöll viktiga ledtrådar om de kvantmekaniska lagarna som dikterade trafikmönstren vid ett större, mikroskopisk skala, där viktiga aspekter av supraledning tros uppstå.

Dessa regler är kodade i ett materialets elektroniska struktur, Sa Yi.

"De är som ett elektroniskt fingeravtryck av ett material, "sa hon." Varje material har sitt eget unika fingeravtryck, som beskriver de tillåtna energitillstånden elektroner kan uppta baserat på kvantmekanik. Den elektroniska strukturen hjälper oss att bestämma, till exempel, om något kommer att vara en bra ledare eller en bra isolator eller en superledare. "

När saker går åt sidan

Elektriskt motstånd är det som orsakar ledningar, smartphones och datorer för att värmas upp under användning, och det kostar miljarder dollar varje år i förlorad ström på elnät och kylräkningar för datacenter. Superledning, nollmotståndsflödet av elektricitet, kan eliminera detta slöseri, men fysiker har kämpat för att förstå och förklara beteendet hos okonventionella superledare som järnselenid.

Yi gick på forskarskolan när de första järnbaserade superledarna upptäcktes 2008, och hon har tillbringat sin karriär med att studera dem. I var och en av dessa, ett atomtjockt lager av järn är inklämt mellan andra element. Vid rumstemperatur, atomerna i detta järnlager är arrangerade i rutbrädor. Men när materialen kyls nära punkten för supraledning, järnatomerna skiftar och rutorna blir rektangulära. Denna förändring medför riktningsberoende beteende, eller nematicitet, som antas spela en viktig men obestämd roll för supraledning.

"Järnselenid är speciellt eftersom i alla andra järnbaserade material, nematicitet visas tillsammans med magnetisk ordning, "Sa Yi." Om ni har två beställningar som bildas tillsammans, det är mycket svårt att avgöra vilket som är viktigare, och hur var och en påverkar supraledning. I järnselenid, du har bara nematicitet, så det ger oss en unik chans att studera hur nematicitet bidrar till supraledning i sig. "

Utför under tryck

Resultatet av nematicitet är att elektronernas trafikmönster-och kvantreglerna som orsakar mönstren-kan vara ganska olika för elektroner som flyter höger till vänster, längs rektanglarnas långa axel, än för elektronerna som strömmar upp och ner längs den korta axeln. Men att få en tydlig titt på dessa trafikmönster i järnselenid har varit utmanande på grund av vänskap, en egenskap hos kristallerna som får rektanglarna att slumpmässigt ändra orientering med 90 grader. Twinning innebär att långaxlade rektanglar löper från vänster till höger ungefär hälften av tiden och upp och ner den andra halvan.

Samarbete med järnselenid gjorde det omöjligt att få klart, helprovsmätningar av nematisk ordning i materialet tills risfysikerna Pengcheng Dai och Tong Chen publicerade en smart lösning på problemet i maj. Byggde på en avvinningsteknik som utvecklats av Dai och kollegor 2014, Chen fann att han kunde avlägsna ömtåliga kristaller av järnselenid genom att limma dem ovanpå ett hårdare lager av bariumjärnarsenid och vrida en skruv för att utöva lite tryck. Tekniken gör att alla nematiska lager i järnseleniden snäpper in i linje.

Dai och Chen var medförfattare till PRX-papperet, och Yi sa att detwinning -tekniken var nyckeln till att få tydliga data om nematicitetens inverkan på järn selenids elektroniska beteende.

"Denna studie hade inte varit möjlig utan den avvinningsteknik som Pengcheng och Tong utvecklat, "Sa Yi." Det gjorde att vi kunde ta en titt på arrangemangen för elektroniska tillstånd när materialsystemet gör sig redo för supraledning. Vi kunde göra exakta uttalanden om tillgängligheten av elektroner som tillhör olika orbitaler som kan delta i supraledning när nematiska regler måste följas. "

En väg framåt

Yi sa att data visar att storleken på nematiska förändringar i järnselenid är jämförbara med de skift som mäts i mer komplicerade järnbaserade superledare som också har magnetisk ordning. Hon sa att det tyder på att den nematiska som observeras i järnselenid kan vara en universell egenskap hos alla järnbaserade superledare, oavsett närvaro av långdistansmagnetism. Och hon hoppas att hennes data tillåter teoretiker att utforska den möjligheten och andra.

"Denna uppsättning mätningar kommer att ge exakt vägledning för teoretiska modeller som syftar till att beskriva det nematiska supraledande tillståndet i järnbaserade superledare, "sa hon." Det är viktigt eftersom nematik spelar en roll för att åstadkomma supraledning i alla dessa material. "