p O potencial químico é um conceito fundamental na física da matéria condensada. Embora as equações relevantes que o definem possam ser encontradas em qualquer livro de física de graduação, sua dependência da temperatura em sistemas que são bons condutores geralmente é insignificante. Como resultado, apesar do intenso interesse de pesquisa em FeSe, um supercondutor não convencional exibindo várias propriedades extraordinárias, a dependência do potencial químico com a temperatura foi previamente negligenciada. p Em um artigo recente publicado como sugestão do editor em Revisão Física B , a colaboração entre a equipe da linha de luz I05 na Diamond Light Source e a Royal Holloway University of London mostrou que, com base nos detalhes da estrutura eletrônica do material, uma variação substancial do efeito potencial químico é esperada. Eles então testaram esta hipótese usando medições de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido de alta resolução (ARPES) na linha de luz ARPES (I05) em Diamond, encontrando um efeito ainda maior experimentalmente do que em sua modelagem teórica. Por outro lado, a mudança do potencial químico é o único efeito observado, descartando um cenário alternativo em que as bandas eletrônicas evoluam continuamente por si mesmas em função da temperatura. Os resultados têm implicações importantes para a compreensão do comportamento intrincado de FeSe, particularmente em altas temperaturas.

p O potencial químico - sempre importante, mas às vezes esquecido

p Elétrons em sólidos obedecem a duas regras básicas:primeiro, eles não podem compartilhar o mesmo estado de outro elétron, e em segundo lugar, eles geralmente gostam de ocupar os estados de energia mais baixos disponíveis. Como resultado, elétrons 'preenchem' todos os estados disponíveis, começando pelos estados de energia mais baixos disponíveis, um elétron por estado, até um nível em que todos os elétrons foram contados. Os cientistas referem-se ao nível que separa os estados ocupado dos desocupados como o 'potencial químico'. As coisas ficam um pouco confusas em alta temperatura, porque as flutuações de energia térmica permitem que os elétrons ocupem brevemente um estado acima do potencial químico de acordo com uma distribuição de probabilidade bem conhecida, mas o conceito de potencial químico ainda é muito útil, e aparece em toda a física da matéria condensada (e também na química, como o nome sugere). Na verdade, a dependência do potencial químico da temperatura é um conceito importante na física de semicondutores, desempenhando um papel crucial na determinação da dependência da resistência da amostra com a temperatura, por exemplo. No entanto, em metais bons, por exemplo cobre elementar, o potencial químico ainda é um parâmetro importante, mas quaisquer mudanças no potencial químico que variam em função da temperatura são geralmente insignificantes.

p As propriedades únicas de FeSe

p Neste estudo, os pesquisadores se concentraram em uma dependência inesperadamente forte do potencial químico do FeSe com a temperatura. Por que FeSe? Resumindo:pode parecer um sistema simples com apenas dois elementos, com as amostras sendo construídas a partir de camadas de redes quadradas de Fe-Se, mas suas propriedades fascinantes atraíram o interesse de muitos grupos experimentais e teóricos em todo o mundo. FeSe se tornou um teste para teorias que pretendem explicar o fenômeno da supercondutividade não convencional e de alta temperatura na família mais ampla de supercondutores à base de ferro. Enquanto a supercondutividade em FeSe normal entra em ação apenas a 8 graus acima do zero absoluto (8 Kelvin, -265 ° C), esta 'temperatura crítica' pode ser aumentada quatro vezes ao apertá-la com força (a 8000 vezes a pressão atmosférica), e é talvez tão alto quanto 100 Kelvin (ou seja, 100 graus acima do zero absoluto, -173 ° C) quando é cultivado como uma única camada de uma maneira particular. De volta às amostras normais de FeSe, também foi mostrado que a supercondutividade é forte e incomumente influenciada pelo fato de que as redes quadradas se distorcem levemente em retângulos a 90 Kelvin (-183 ° C).

p Todas essas propriedades físicas intrigantes fornecem uma excelente motivação para estudar os estados eletrônicos dentro da amostra. A técnica de escolha é espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido (ARPES); onde um feixe de luz intenso (fótons) é focado em uma amostra, que emite elétrons de acordo com o efeito fotoelétrico, como foi compreendido pela primeira vez por Einstein em 1905. Ao analisar a energia e o momento dos elétrons expulsos da amostra desta forma, os cientistas são capazes de mapear a relação permitida entre a energia e o momento dos elétrons dentro do material. Na verdade, medições de alta resolução da estrutura eletrônica de FeSe por ARPES na linha de luz I05 em Diamond já fizeram várias contribuições experimentais importantes para a compreensão deste material, particularmente no que diz respeito à influência da distorção do retângulo quadrado das camadas FeSe, acontecendo abaixo de 90 Kelvin (-183 ° C). Contudo, neste estudo, os pesquisadores se concentraram em medir apenas na fase quadrada, de 100 Kelvin (-173 ° C) até a temperatura ambiente (300 Kelvin, 27 ° C).

p Grande dependência da temperatura do potencial químico previsto e observado em FeSe

p O primeiro passo dos pesquisadores foi usar os dados experimentais obtidos a 100 Kelvin (-173 ° C) para construir um modelo teórico preciso dos estados eletrônicos do sistema. Isso foi feito usando um 'modelo de ligação forte', onde se considera os elétrons situados em locais de Fe específicos na rede, e, em seguida, permitindo que eles "pulem" em locais vizinhos. Ajustando os parâmetros do modelo, foi possível alcançar um alto nível de precisão, em comparação com os resultados experimentais. Eles mostraram que este modelo previa uma grande dependência do potencial químico com a temperatura.

p A razão para esperar uma grande dependência do potencial químico da temperatura é que, embora o FeSe seja um metal no sentido de que pode transportar correntes elétricas com uma resistência finita (acima da temperatura de transição supercondutora), está longe de ser um metal típico. Na verdade, sabe-se que existem dois tipos de portadores de carga no sistema, os portadores "semelhantes a elétrons" e "semelhantes a buracos". Esses nomes vêm do comportamento dos elétrons nos sólidos:todos os elétrons interagem uns com os outros, de modo que estão longe de exibir o comportamento de um elétron livre no vácuo, mas muitas vezes pode-se usar uma descrição de elétrons com uma 'massa efetiva' modificada, com os termos 'semelhante a elétron' e 'semelhante a buraco' referindo-se a se essa massa efetiva é positiva (isto é, como um elétron livre) ou massa efetiva negativa (um buraco).

p No FeSe, o número de 'elétrons' e 'lacunas' é restrito a ser igual para que o sistema seja totalmente carregado de forma neutra. Na verdade, é preciso ser um pouco mais preciso do que isso:"o potencial químico em qualquer temperatura se ajustará de modo que as populações termicamente médias de elétrons e lacunas permaneçam iguais", disse Luke Rhodes, um estudante de doutorado conjunto entre Diamond e Royal Holloway, e o autor principal do estudo. No FeSe existe uma assimetria natural entre o elétron e os buracos; enquanto os elétrons têm muitos estados disponíveis acima do potencial químico para os elétrons saltarem com as flutuações térmicas, quase não há nenhum disponível para os furos. Como resultado dessa assimetria, além do fato de que o número de elétrons e lacunas é bastante pequeno em FeSe, cálculos teóricos indicaram que o aumento da temperatura exigiria um ajuste substancial do potencial químico.

p Os pesquisadores então se voltaram para o ARPES de alta resolução na linha de luz I05 em Diamond, a fim de confirmar experimentalmente este efeito. Usando amostras de alta qualidade cultivadas na Universidade de Oxford, eles mediram a estrutura eletrônica do FeSe em função da temperatura de 100 a 300 Kelvin (-173 ° C a 27 ° C), que não havia sido estudado anteriormente. Eles observaram diretamente uma variação significativa do potencial químico, que era ainda maior do que no cálculo teórico.

p Implicações para modelar FeSe

p A fim de compreender as várias propriedades intrigantes de FeSe, os teóricos freqüentemente começam com modelos da estrutura eletrônica e então investigam que tipo de tendências e suscetibilidades o modelo tem em relação a diferentes tipos de transições de fase. Contudo, como encontrado neste estudo, os detalhes do modelo realmente importam. "Mostramos que é importante começar com um modelo teórico preciso, e também mostramos que o potencial químico deve sempre ser cuidadosamente levado em consideração ", disse Luke Rhodes. A equipe de pesquisa agora pretende usar seu modelo para investigar a transição de fase quadrada-retangular de FeSe a 90 Kelvin (-183 ° C), onde eles suspeitam que o potencial químico também pode estar desempenhando um papel importante.