RIKEN-fysiker har hittat en idealisk plattform för att utforska elektronernas beteende i ett material när det närmar sig supraledning. Detta kan hjälpa till att utveckla nya supraledare som arbetar vid mer bekväma temperaturer än befintliga. Studien är publicerad i tidskriften Physical Review B .
Supraledare leder elektrisk ström utan motstånd och används till exempel i kraftfulla elektromagneter och magnetiska sensorer. Men supraledning uppstår i allmänhet bara vid låga temperaturer, så forskare letar efter högtemperatursupraledare som kan öppna upp ett mycket bredare spektrum av applikationer. Det slutliga målet är att hitta material som supraledande vid rumstemperatur.
Supraledning i så kallade konventionella supraledare uppstår när elektroner parar ihop sig. Denna sammankoppling förhindrar att elektronerna sprids när de strömmar genom ett material.
Vissa material, när de närmar sig detta supraledande tillstånd, går in i en "nematisk fas" där elektroner riktas in i ränder. "Nematicitet anses vara nära relaterat till supraledning", förklarar Yuya Kubota från RIKEN SPring-8 Center. "Den exakta kopplingen mellan nematicitet och supraledning är dock inte helt klarlagd."
För att utforska detta förhållande vände sig Kubota och hans kollegor till ett material som kallas järnselenid, som endast är supraledande vid den mycket låga temperaturen på –265°C, vilket är bara 8° över absolut noll. Men supraledning vid högre temperaturer kan uppnås genom att applicera tryck eller genom att justera materialets kemiska sammansättning, vilket potentiellt visar vägen till mer allmänna strategier för att skapa högtemperatursupraledare.
Järnselenid går in i sin nematiska fas vid cirka –183°C. I denna fas förändras arrangemanget av atomer i materialets kristallgitter och vissa elektroner kan anta olika energitillstånd. Forskare har länge diskuterat den relativa betydelsen av dessa strukturella och elektroniska faktorer för att driva nematicitet.
Kubotas team har nu kommit med ett svar. De studerade en ultratunn film av järnselenid på en bas av lantanaluminat, vilket undertryckte den strukturella förändringen under övergången till den nematiska fasen.
Forskarna upptäckte alla elektroniska kännetecken för en övergång till den nematiska fasen, även om gitterstrukturen förblev densamma. Detta tyder på att den nematiska fasen enbart härrör från förändringar i energitillstånden för vissa elektroner.
Forskarna räknar med att deras tunnfilmsmaterial kommer att tillåta dem att utforska elektronernas beteende i den nematiska fasen, utan den komplicerande faktorn med några åtföljande strukturella förändringar. "Detta kan hjälpa oss att uppnå en djupare förståelse av förhållandet mellan nematicitet och supraledning, och mekanismen för supraledning," säger Kubota. "Och detta kan i sin tur påskynda forskningen mot rumstemperatursupraledare."
Mer information: Y. Kubota et al, Rent nematiskt tillstånd i den järnbaserade supraledaren FeSe, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.L100501
Journalinformation: Fysisk granskning B
Tillhandahålls av RIKEN
