El espín mantiene los electrones alineados en un superconductor a base de hierro

Investigadores del grupo de Espectroscopía de Materiales Cuánticos de PSI y científicos de la Universidad Normal de Beijing han resuelto un enigma en la vanguardia de la investigación de superconductores a base de hierro: el origen de la nematicidad electrónica de FeSe. Usando dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en Swiss Light Source (SLS), descubrieron sorprendentemente que este fenómeno electrónico es principalmente impulsado por el giro. Se cree que la nematicidad electrónica es un ingrediente importante de la superconductividad a alta temperatura, pero aún no está claro si ayuda o dificulta. Sus hallazgos se publican en Física Natural.

Cerca de PSI, donde el bosque suizo es omnipresente, a menudo hay montones de troncos increíblemente ordenados. Los troncos en forma de cuña para leña se apilan ordenadamente a lo largo, pero sin pensar en su rotación. Cuando las partículas de un material se alinean espontáneamente, como los troncos en estas pilas de troncos, de modo que rompen la simetría rotacional pero conservan la simetría traslacional, se dice que un material está en un estado nemático. En un líquido de cristal, esto significa que las moléculas en forma de varilla pueden fluir como un líquido en la dirección de su alineación, pero no en otras direcciones. La nematicidad electrónica ocurre cuando los orbitales electrónicos en un material se alinean de esta manera. Normalmente, esta nematicidad electrónica se manifiesta mediante propiedades electrónicas anisotrópicas: por ejemplo, resistividad o conductividad que exhiben amplitudes muy diferentes cuando se miden a lo largo de diferentes ejes.

Desde su descubrimiento en 2008, la última década ha visto un enorme interés en la familia de superconductores a base de hierro. Junto con los superconductores de cuprato bien estudiados, estos materiales exhiben el misterioso fenómeno de la superconductividad a alta temperatura. El estado nemático electrónico es una característica omnipresente de los superconductores a base de hierro. Sin embargo, hasta ahora, el origen físico de esta nematicidad electrónica es un enigma; de hecho, podría decirse que es uno de los acertijos más importantes en el estudio de los superconductores a base de hierro.

Pero, ¿por qué es tan interesante la nematicidad electrónica? La respuesta se encuentra en el rompecabezas siempre emocionante: comprender cómo los electrones se emparejan y logran la superconductividad a alta temperatura. Las historias de la nematicidad electrónica y la superconductividad están indisolublemente unidas, pero cómo exactamente, e incluso si compiten o cooperan, es una cuestión muy debatida.

El deseo de comprender la nematicidad electrónica llevó a los investigadores a centrar su atención en un superconductor a base de hierro en particular, el seleniuro de hierro (FeSe). FeSe es algo así como un enigma, ya que posee tanto la estructura cristalina más simple de cualquier superconductor a base de hierro como las propiedades electrónicas más desconcertantes.

FeSe entra en su fase superconductora por debajo de un temperatura crítica (T_contra) de 9 K pero tentadoramente tiene una T sintonizable_contralo que significa que esta temperatura_{se puede aumentar aplicando presión o dopando el material. El material en capas cuasi-2D tiene una fase nemática electrónica extendida, que aparece por debajo de aproximadamente 90 K. Curiosamente, esta nematicidad electrónica aparece sin el orden magnético de largo alcance con el que normalmente iría, lo que lleva a un animado debate sobre sus orígenes. : es decir, si estos son impulsados ​​por grados de libertad orbitales o de espín. La ausencia de orden magnético de largo alcance en FeSe brinda la oportunidad de tener una visión más clara de la nematicidad electrónica y su interacción con la superconductividad. Como resultado, muchos investigadores creen que FeSe puede ser la clave para comprender el enigma de la nematicidad electrónica en la familia de los superconductores a base de hierro.}

Medición de anisotropías de excitación de espín con dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS)

Para determinar el origen de la nematicidad electrónica de FeSe, los científicos del grupo de espectroscopia de materiales cuánticos de PSI recurrieron a la técnica de dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) en la línea de luz ADRESS de la fuente de luz suiza (SLS). Combinando los principios de la absorción de rayos X y la espectroscopia de emisión, esta técnica es una herramienta muy eficaz para explorar las excitaciones magnéticas o de espín de un material.

«En PSI, tenemos una de las instalaciones más avanzadas para RIXS en el mundo. Entre los primeros en impulsar esta técnica hace 15 años, ahora hemos implementado una instalación muy bien desarrollada para este tipo de experimentos», dice Thorsten Schmitt, quien dirigió el estudio con Xingye Lu de la Universidad Normal de Beijing. «En particular, las características de radiación de sincrotrón debidas al diseño del anillo SLS son ideales para el rango de rayos X blandos en el que se realizaron estos experimentos».

Para estudiar las anisotropías de espín de FeSe utilizando RIXS, los científicos primero tuvieron que superar un obstáculo práctico. Para medir el comportamiento nemático anisotrópico, la muestra primero tuvo que ser «desemparejada». El hermanamiento ocurre cuando los cristales en capas apiladas se alinean con igual probabilidad en direcciones arbitrarias, oscureciendo así cualquier información sobre el comportamiento anisotrópico. El desemparejamiento es una técnica común de preparación de muestras cristalográficas, en la que normalmente se aplica presión a la muestra, lo que hace que los cristales se alineen a lo largo de las direcciones estructurales.

Para FeSe no funciona. Aplique esta presión a FeSe y el material flexible simplemente se deforma o se rompe. Por lo tanto, el equipo utilizó un método indirecto de separación, mediante el cual FeSe se une a un material que puede ser desempaquetado: arseniuro de hierro y bario (BaFe₂Me gusta₂)._{«Cuando aplicamos presión uniaxial a BaFe2Me gusta2esto genera una tensión de alrededor del 0,36 %, que es suficiente para desenredar el FeSe al mismo tiempo”, dice Xingye Lu, quien previamente había demostrado su viabilidad con Tong Chen y Pengcheng Dai de la Universidad Rice para estudios de FeSe con neutrones inelásticos. difusión.}

Los experimentos de dispersión de neutrones inelásticos habían revelado anisotropías de espín en FeSe en bajo energía; pero la medida de alto– Las excitaciones energéticas de espín fueron esenciales para vincular estas fluctuaciones de espín con la nematicidad electrónica. Medir las excitaciones de espín a una escala de energía de aproximadamente 200 meV, muy por encima de la separación de energía entre los niveles de energía orbitales, descartaría los grados de libertad orbitales como fuente de nematicidad electrónica. Con el desemparejamiento exitoso, los investigadores pudieron probar las excitaciones cruciales de espín de alta energía de FeSe, así como BaFe.₂Me gusta₂utilizando RIXS.

Los investigadores estudiaron la anisotropía de espín en la dirección del enlace Fe-Fe. Para juzgar la anisotropía de espín, el equipo midió las excitaciones de espín a lo largo de dos direcciones ortogonales y comparó las respuestas. Al realizar mediciones a temperaturas crecientes, el equipo pudo determinar la temperatura crítica a la que desaparecía el comportamiento nemático y comparar las observaciones de las anisotropías de espín con las anisotropías electrónicas observadas mediante mediciones de resistividad.

Los investigadores midieron primero el BaFe demaclado₂Me gusta₂, que tiene una estructura de espín anisotrópico bien caracterizada y un orden magnético de largo alcance y lo usó como referencia. Las mediciones de la respuesta de excitación del espín a lo largo de las dos direcciones ortogonales mostraron una clara asimetría: la manifestación de la nematicidad.

Luego, el equipo realizó el mismo experimento en FeSe demacrado. A pesar de la ausencia de orden magnético, observaron una anisotropía de espín muy fuerte con respecto a los dos ejes. «Extraordinariamente, pudimos revelar una anisotropía de espín comparable, si no superior, a la del ya altamente anisotrópico BaFe.₂Me gusta₂«, explica Xingye Lu. «Esta anisotropía de espín disminuye con el aumento de la temperatura y desaparece alrededor de la temperatura de transición nemática, la temperatura a la que el material deja de estar en un estado nemático electrónico».

El origen de la nematicidad electrónica en FeSe: hacia una mejor comprensión del comportamiento electrónico en superconductores a base de hierro

La escala de energía de las excitaciones de espín de unos 200 meV, que es mucho mayor que la separación entre los niveles orbitales, demuestra que la nematicidad electrónica en el FeSe está impulsada principalmente por el espín. «Fue una gran sorpresa», explica Thorsten Schmitt. «Ahora podríamos relacionar la nematicidad electrónica, que se manifiesta como resistividad anisotrópica, con la presencia de nematicidad en las excitaciones de espín».

Pero, ¿qué significan estos descubrimientos? La interacción entre magnetismo, nematicidad electrónica y superconductividad es un problema clave en los superconductores no convencionales. Se cree que las fluctuaciones cuánticas en la nematicidad electrónica pueden promover superconductividad a alta temperatura en superconductores a base de hierro. Estos resultados proporcionan una visión largamente buscada del mecanismo de nematicidad electrónica en FeSe. Pero, en términos más generales, agregan una pieza importante al rompecabezas de comprender el comportamiento electrónico en los superconductores a base de hierro y, en última instancia, cómo se relaciona esto con la superconductividad. Los próximos pasos serán averiguar si girar– el comportamiento nemático impulsado electrónicamente persiste en otros miembros de la familia de los superconductores a base de hierro y, además, si las sospechas de que puede ocurrir en direcciones distintas al eje del enlace Fe-Fe son correctas.