Pesquisadores do grupo de Espectroscopia de Materiais Quânticos da PSI, juntamente com cientistas da Universidade Normal de Pequim, resolveram um quebra-cabeça na vanguarda da pesquisa em supercondutores à base de ferro:a origem da nemacidade eletrônica do FeSe. Usando o espalhamento de raios X inelástico ressonante (RIXS) na Swiss Light Source (SLS), eles descobriram que, surpreendentemente, esse fenômeno eletrônico é principalmente acionado por rotação. Acredita-se que a nemacidade eletrônica seja um ingrediente importante na supercondutividade de alta temperatura, mas ainda não se sabe se ajuda ou atrapalha. Suas descobertas são publicadas em Nature Physics .
Perto do PSI, onde a floresta suíça está sempre presente, muitas vezes há pilhas de toras incrivelmente organizadas. Toras em forma de cunha para lenha são empilhadas cuidadosamente no sentido do comprimento, mas com pouca atenção à sua rotação. Quando as partículas em um material se alinham espontaneamente, como as toras nessas pilhas de toras, de tal forma que quebram a simetria rotacional, mas preservam a simetria translacional, diz-se que um material está em estado nemático. Em um cristal líquido, isso significa que as moléculas em forma de bastão são capazes de fluir como um líquido na direção de seu alinhamento, mas não em outras direções. A nemacidade eletrônica ocorre quando os orbitais de elétrons em um material se alinham dessa maneira. Normalmente, essa nemacidade eletrônica se manifesta como propriedades eletrônicas anisotrópicas:por exemplo, resistividade ou condutividade exibindo magnitudes muito diferentes quando medidas ao longo de diferentes eixos.

Desde sua descoberta em 2008, a última década viu um enorme interesse na família de supercondutores à base de ferro. Juntamente com os supercondutores de cuprato bem estudados, esses materiais exibem o misterioso fenômeno da supercondutividade de alta temperatura. O estado nemático eletrônico é uma característica onipresente dos supercondutores à base de ferro. No entanto, até agora, a origem física dessa nemacidade eletrônica é um quebra-cabeça; na verdade, sem dúvida um dos quebra-cabeças mais importantes no estudo de supercondutores à base de ferro.

Mas por que a nemacidade eletrônica é tão interessante? A resposta está no enigma sempre empolgante:entender como os elétrons se emparelham e atingem a supercondutividade em altas temperaturas. As histórias de nematicidade eletrônica e supercondutividade estão inextricavelmente ligadas – mas exatamente como, e de fato se elas competem ou cooperam, é uma questão muito debatida.

O esforço para entender a nemacidade eletrônica levou os pesquisadores a voltar sua atenção para um supercondutor à base de ferro em particular, o seleneto de ferro (FeSe). FeSe é um enigma, possuindo simultaneamente a estrutura cristalina mais simples de todos os supercondutores à base de ferro e as propriedades eletrônicas mais desconcertantes.

FeSe entra em sua fase supercondutora abaixo de uma temperatura crítica (T_c ) de 9 K, mas ostenta um T_c ajustável , o que significa que esta temperatura pode ser aumentado aplicando pressão ou dopando o material. O material em camadas quase 2D possui uma fase nemática eletrônica estendida, que aparece abaixo de aproximadamente 90 K. Curiosamente, essa nemacidade eletrônica aparece sem a ordem magnética de longo alcance com a qual normalmente andaria de mãos dadas, levando a um debate animado em torno de suas origens :ou seja, se estes são conduzidos por graus de liberdade orbital ou de spin. A ausência de ordem magnética de longo alcance no FeSe dá a oportunidade de ter uma visão mais clara sobre a nemacidade eletrônica e sua interação com a supercondutividade. Como resultado, muitos pesquisadores acham que o FeSe pode ser a chave para entender o quebra-cabeça da nemacidade eletrônica em toda a família de supercondutores à base de ferro.

Medindo as anisotropias de excitação de spin com espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS)

Para determinar a origem da nemacidade eletrônica do FeSe, cientistas do PSI's Spectroscopy of Quantum Materials Group recorreram à técnica de espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS) na linha de luz ADRESS da Swiss Light Source (SLS). Combinando os princípios das espectroscopias de absorção e emissão de raios X, esta técnica é uma ferramenta altamente eficiente para explorar as excitações magnéticas ou de spin de um material.

"Na PSI, temos uma das configurações mais avançadas para RIXS do mundo. Entre os primeiros a impulsionar essa técnica há 15 anos, agora estabelecemos uma instalação muito bem desenvolvida para esse tipo de experimento", explica Thorsten Schmitt , que liderou o estudo junto com Xingye Lu, da Universidade Normal de Pequim. “Em particular, as características da radiação síncrotron devido ao design do anel SLS são ideais para a faixa de raios-X suaves em que esses experimentos foram realizados”.

Para estudar as anisotropias de spin do FeSe usando RIXS, os cientistas primeiro precisavam superar um obstáculo prático. A fim de medir o comportamento nemático anisotrópico, a amostra primeiro precisava ser "desgeminada". A geminação ocorre quando os cristais em camadas empilhadas são alinhados com a mesma probabilidade ao longo de direções arbitrárias, ocultando assim qualquer informação sobre o comportamento anisotrópico. Detwinning é uma técnica comum de preparação de amostras cristalográficas, onde normalmente é aplicada uma pressão à amostra que faz com que os cristais se alinhem ao longo das direções estruturais.

Para FeSe, isso não funciona. Aplique essa pressão ao FeSe e o material macio simplesmente se deforma — ou quebra. Portanto, a equipe usou um método de desagregação indireta, em que FeSe é colado a um material que pode ser desengeminado:arseneto de bário e ferro (BaFe₂ Como₂ ). "Quando aplicamos uma pressão uniaxial ao BaFe₂ Como₂ , isso gera uma tensão de cerca de 0,36%, o que é suficiente para detwin FeSe ao mesmo tempo", explica Xingye Lu, que já havia demonstrado sua viabilidade junto com Tong Chen e Pengcheng Dai da Rice University para estudos de FeSe com nêutrons inelásticos espalhamento.

Experimentos de espalhamento de nêutrons inelásticos revelaram anisotropias de spin em FeSe em baixo energia; mas a medição de alta -excitações de spin de energia, foram essenciais para vincular essas flutuações de spin à nemacidade eletrônica. Medir excitações de spin em uma escala de energia de cerca de 200 meV - bem acima da separação de energia entre os níveis de energia orbital - permitiria que os graus de liberdade orbitais fossem descartados como fonte da nemacidade eletrônica. Com a separação bem-sucedida, os pesquisadores puderam sondar as excitações de spin de alta energia cruciais do FeSe e também do BaFe₂ Como₂ , usando RIXS.

Os pesquisadores investigaram a anisotropia de spin na direção da ligação Fe-Fe. Para julgar a anisotropia do spin, a equipe mediu as excitações do spin ao longo de duas direções ortogonais e comparou as respostas. Ao realizar medições sob temperatura crescente, a equipe pôde determinar a temperatura crítica na qual o comportamento nemático desapareceu e comparar observações de anisotropias de spin com anisotropias eletrônicas, observadas por meio de medições de resistividade.

Os pesquisadores mediram pela primeira vez o BaFe desagregado₂ Como₂ , que tem uma estrutura de spin anisotrópica bem caracterizada e ordem magnética de longo alcance e usou isso como referência. As medições da resposta de excitação do spin ao longo das duas direções ortogonais mostraram uma clara assimetria:a manifestação da nemacidade.

A equipe então realizou o mesmo experimento em FeSe desalinhado. Apesar da falta de ordenamento magnético, eles observaram uma anisotropia de spin muito forte em relação aos dois eixos. "Extraordinariamente, poderíamos revelar uma anisotropia de spin comparável - se não maior - à já altamente anisotrópica BaFe₂ Como₂ ," diz Xingye Lu. "Esta anisotropia de spin diminui com o aumento da temperatura e desaparece em torno da temperatura de transição nemática - a temperatura na qual o material deixa de estar em um estado nemático eletrônico."

A origem da nemacidade eletrônica em FeSe:Para uma melhor compreensão do comportamento eletrônico em supercondutores à base de ferro

A escala de energia das excitações de spin de cerca de 200 meV, que é muito maior do que a separação entre os níveis orbitais, demonstra que a nemacidade eletrônica em FeSe é primariamente acionada por spin. "Foi uma grande surpresa", explica Thorsten Schmitt. "Podemos agora fazer a conexão entre nematicidade eletrônica, manifestando-se como resistividade anisotrópica, com a presença de nemacidade nas excitações de spin."

Mas o que essas descobertas significam? A interação entre magnetismo, nematicidade eletrônica e supercondutividade é uma questão chave em supercondutores não convencionais. Acredita-se que as flutuações quânticas da nemacidade eletrônica podem promover a supercondutividade de alta temperatura em supercondutores à base de ferro. Essas descobertas fornecem uma visão muito procurada sobre o mecanismo de nemacidade eletrônica em FeSe. Mas, de forma mais ampla, eles adicionam uma peça importante ao quebra-cabeça de entender o comportamento eletrônico em supercondutores à base de ferro e, finalmente, como isso se relaciona à supercondutividade. Os próximos passos serão descobrir se o comportamento nemático eletrônico acionado por spin persiste em outros membros da família de supercondutores à base de ferro e, além disso, se as suspeitas de que ele possa surgir em outras direções além do eixo de ligação Fe-Fe estão corretas. + Explorar mais

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