Usando uma técnica inteligente que faz com que cristais indisciplinados de seleneto de ferro se alinhem, Os físicos da Rice University desenharam um mapa detalhado que revela as "regras do caminho" para os elétrons tanto em condições normais quanto nos momentos críticos imediatamente antes de o material se transformar em um supercondutor.

Em um estudo online esta semana no jornal American Physical Society Revisão Física X ( PRX ), o físico Ming Yi e seus colegas oferecem um mapa da estrutura de bandas para o seleneto de ferro, um material que há muito intriga os físicos por causa de sua simplicidade estrutural e complexidade comportamental. O mapa, que detalha os estados eletrônicos do material, é um resumo visual dos dados coletados a partir de medições de um único cristal de seleneto de ferro conforme ele foi resfriado até o ponto de supercondutividade.

Yi começou os experimentos de espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido para o estudo durante um período de pós-doutorado na Universidade da Califórnia, Berkeley. Os experimentos tecnicamente desafiadores usaram luz síncrotron poderosa do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) para persuadir o cristal a emitir elétrons.

"Num sentido, essas medições são como tirar fotos de elétrons que estão voando para fora do material, "ela disse." Cada fotografia conta a vida que os elétrons viviam antes de serem expulsos do material pelos fótons. Ao analisar todas as fotos, podemos juntar as peças da física subjacente que explica todas as suas histórias. "

Câmeras de luz vermelha para elétrons

O detector de elétrons rastreou a velocidade e a direção em que os elétrons viajavam quando emitidos do cristal. Essas informações continham pistas importantes sobre as leis da mecânica quântica que ditavam os padrões de tráfego de uma forma mais ampla, escala microscópica, onde se acredita que surgem os principais aspectos da supercondutividade.

Essas regras são codificadas na estrutura eletrônica de um material, Yi disse.

"Eles são como uma impressão digital eletrônica de um material, "disse ela." Cada material tem sua impressão digital única, que descreve os estados de energia permitidos que os elétrons podem ocupar com base na mecânica quântica. A estrutura eletrônica nos ajuda a decidir, por exemplo, se algo será um bom condutor, um bom isolante ou um supercondutor. "

Quando as coisas vão para o lado

A resistência elétrica é o que causa os fios, smartphones e computadores para aquecer durante o uso, e custa bilhões de dólares a cada ano em energia perdida em redes elétricas e contas de resfriamento de data centers. Supercondutividade, o fluxo de resistência zero da eletricidade, poderia eliminar esse desperdício, mas os físicos têm se esforçado para entender e explicar o comportamento de supercondutores não convencionais como o seleneto de ferro.

Yi estava fazendo pós-graduação quando os primeiros supercondutores à base de ferro foram descobertos em 2008, e ela passou sua carreira estudando-os. Em cada um deles, uma camada de ferro com a espessura de um átomo é imprensada entre outros elementos. Em temperatura ambiente, os átomos nesta camada de ferro estão dispostos em quadrados de xadrez. Mas quando os materiais são resfriados perto do ponto de supercondutividade, os átomos de ferro se deslocam e os quadrados se tornam retangulares. Esta mudança traz um comportamento dependente da direção, ou nematicidade, que se acredita desempenhar um papel importante, mas indeterminado, na supercondutividade.

"O seleneto de ferro é especial porque em todos os outros materiais à base de ferro, a nematicidade aparece junto com a ordem magnética, "Yi disse." Se você tem duas ordens formando-se juntas, é muito difícil dizer o que é mais importante, e como cada um afeta a supercondutividade. Em seleneto de ferro, você só tem nematicidade, portanto, nos dá uma chance única de estudar como a nematicidade contribui para a supercondutividade por si só. "

Desempenho sob pressão

O resultado da nematicidade é que os padrões de tráfego de elétrons - e as regras quânticas que causam os padrões - podem ser bastante diferentes para elétrons fluindo da direita para a esquerda, ao longo do eixo longo dos retângulos, do que para os elétrons fluindo para cima e para baixo ao longo do eixo curto. Mas ter uma visão clara desses padrões de tráfego em seleneto de ferro tem sido um desafio por causa da geminação, uma propriedade dos cristais que faz com que os retângulos mudem de orientação aleatoriamente em 90 graus. A geminação significa que os retângulos de eixo longo serão executados da esquerda para a direita na metade do tempo e para cima e para baixo na outra metade.

A geminação em seleneto de ferro tornou impossível obter a transparência, medições de amostras inteiras da ordem nemática no material até que os físicos do Rice Pengcheng Dai e Tong Chen publicaram uma solução inteligente para o problema em maio. Com base em uma técnica de detenção de vitórias desenvolvida por Dai e colegas em 2014, Chen descobriu que poderia separar cristais frágeis de seleneto de ferro colando-os sobre uma camada mais resistente de arsenieto de bário e girando um parafuso para aplicar um pouco de pressão. A técnica faz com que todas as camadas nemáticas do seleneto de ferro se alinhem.

Dai e Chen foram co-autores do artigo PRX, e Yi disse que a técnica de detwinning foi a chave para obter dados claros sobre o impacto da nematicidade no comportamento eletrônico do seleneto de ferro.

"Este estudo não teria sido possível sem a técnica de detwinning que Pengcheng e Tong desenvolveram, "Yi disse." Isso nos permitiu dar uma olhada nos arranjos dos estados eletrônicos enquanto o sistema material fica pronto para a supercondutividade. Fomos capazes de fazer afirmações precisas sobre a disponibilidade de elétrons pertencentes a diferentes orbitais que poderiam participar da supercondutividade quando as regras nemáticas tivessem que ser obedecidas. "

Um caminho a seguir

Yi disse que os dados mostram que a magnitude das mudanças nemáticas no seleneto de ferro são comparáveis ​​às mudanças medidas em supercondutores à base de ferro mais complicados que também apresentam ordem magnética. Ela disse que sugere que a nematicidade observada no seleneto de ferro pode ser uma característica universal de todos os supercondutores à base de ferro, independentemente da presença de magnetismo de longo alcance. E ela espera que seus dados permitam aos teóricos explorar essa possibilidade e outras.

"Este conjunto de medições fornecerá orientações precisas para modelos teóricos que visam descrever o estado supercondutor nemático em supercondutores à base de ferro, ", disse ela." Isso é importante porque a nematicidade desempenha um papel na criação da supercondutividade em todos esses materiais. "