Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) klargör den bakomliggande orsaken bakom de olika kritiska övergångstemperaturerna som rapporterats för superledare av ultratunna järnselenid (FeSe). Deras resultat klargör varför gränssnittet mellan det första FeSe-skiktet och dess substrat spelar en viktig roll för supraledning, ger nya insikter i ett mångårigt pussel på detta område.

Superledare är material som, under en viss temperatur, har fascinerande elektromagnetiska egenskaper. De uppvisar noll motstånd, vilket innebär att de leder elektricitet utan att förlora energi i form av värme, och kan också helt stöta bort externa magnetfält. På grund av sådana bedrifter, supraledare är mycket attraktiva för grundläggande fysikstudier och elektroniktillämpningar.

Även om det har gått fjorton år sedan järnbaserade supraledare upptäcktes, forskarna är fortfarande oförstående när det gäller de underliggande mekanismerna för supraledning i ultratunna lager av järnselenid (FeSe). Medan den kritiska övergångstemperaturen (Tc) under vilken bulk FeSe beter sig som en superledare är 8 K, signifikant olika värden har rapporterats för monoskikt av FeSe-kristaller odlade enhetligt på ett strontiumtitanat (STO)-substrat; dessa värden sträcker sig från 40 K till så höga som 109 K.

I en ny studie publicerad i Fysiska granskningsbrev , Prof. Satoru Ichinokura och kollegor från Tokyo Tech kastar lite ljus över detta problem. Ichinokura beskriver problemet:"Även om flera studier indikerar att gränssnittet mellan FeSe och STO, eller området där FeSe och STO kommer i kontakt, spelar en viktig roll i förbättringen av Tc, det finns utrymme för ytterligare arbete för att exakt förklara det mikroskopiska ursprunget till detta beteende." Dessutom, Det finns också en pågående debatt angående vid vilket djup supraledning uppstår med avseende på tjockleken på FeSe-filmen.

För att ta itu med dessa frågor, forskarna förberedde prover genom att stapla FeSe med tjocklekar som sträcker sig från ett till fem enhetscellskikt på ett isolerande STO-substrat. Genom fyrpunktsmätningar i vakuum, de härledde resistiviteten (inversen av konduktiviteten) hos proverna vid olika temperaturer och olika djup. Först, de hittade säkra bevis för att deras elektriska mätningar motsvarar ledning längs FeSe-filmerna, utan påverkan från det underliggande STO-substratet. Mer viktigt, de observerade konsekvent ett markant resistivitetsfall vid 40 K (vilket indikerar början av supraledning; se figur ) oavsett tjockleken på FeSe-skiktet. Ichinokura anmärker:"Dessa resultat tyder otvetydigt på att supraledning vid hög temperatur i huvudsak är belägen vid gränssnittet mellan FeSe och STO eller vid det nedersta FeSe-monoskiktet utan att sprida sig till de övre."

Nu, varför rapporterade andra studier olika Tc-värden? Efter att noggrant granskat tidigare verk, Ichinokura och hans kollegor drar slutsatsen att skillnader i antalet dopämnen i STO-substratet eller syrevakanser i STO-underytan är ansvariga för variationen i Tc-värden. I några tidigare studier har den använda tillverkningsproceduren har sannolikt inducerat syrevakans vid ytan av det annars enhetliga STO-skiktet. I andra, STO dopad med niobföroreningar användes. Dessa skillnader i substratet tillåter fler laddningsbärare (elektroner) att nå STO/FeSe-gränssnittet, vilket resulterar i ihållande supraledning även vid högre temperaturer (med andra ord, ökad Tc).

Upprymd över dessa resultat, Ichinokura avslutar:"Våra resultat indikerar starkt gränssnittskaraktären hos den tvådimensionella supraledning som observeras i FeSe/STO och bekräftar på nytt vikten av laddningsackumulering från substratet in i gränssnittet. Vi har kunnat få nya insikter i det långvariga pusslet att hitta låg Tc på cirka 40 K när man använder isolerande STO-substrat istället för ledande." Denna studie tar oss ett steg närmare att belysa mysterierna kring den förbättrade supraledningsförmågan.