La recherche identifie l’origine du comportement énigmatique du supraconducteur au séléniure de fer


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  • Les physiciens quantiques de l’Université Rice font partie d’une équipe internationale qui a répondu à une question déroutante à la pointe de la recherche sur les supraconducteurs à base de fer : pourquoi les électrons dans le séléniure de fer dansent-ils sur un air différent lorsqu’ils se déplacent à droite et à gauche plutôt qu’en avant et en arrière ?

    Une équipe de recherche dirigée par Xingye Lu à l’Université normale de Pékin, Pengcheng Dai à Rice et Thorsten Schmitt à l’Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse a utilisé la diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) pour mesurer le comportement des spins électroniques dans le séléniure de fer à niveaux d’énergie élevés.

    Le spin est la propriété des électrons liés au magnétisme, et les chercheurs ont découvert que les spins dans le séléniure de fer commencent à se comporter de manière dépendante de la direction en même temps que le matériau commence à présenter un comportement électronique dépendant de la direction, ou nématicité. Les résultats de l’équipe ont été publiés en ligne dans Physique naturelle.

    On pense que la nématicité électronique est un ingrédient important pour amener la supraconductivité dans le séléniure de fer et les matériaux similaires à base de fer. Découverts en 2008, ces supraconducteurs à base de fer se comptent par dizaines. Tous deviennent supraconducteurs à des températures très froides, et la plupart présentent une nématicité avant d’atteindre la température critique où commence la supraconductivité.

    On ne sait pas si la nématicité aide ou entrave l’apparition de la supraconductivité. Mais les résultats des expériences de spin à haute énergie à la source de lumière suisse du PSI sont une surprise car le séléniure de fer est le seul supraconducteur à base de fer dans lequel la nématicité se produit en l’absence d’un ordre magnétique à longue portée des spins électroniques.

    « Le séléniure de fer a quelque chose de spécial », a déclaré Qimiao Si, co-auteur de l’étude Rice, qui, comme Dai, est membre de la Rice Quantum Initiative. « Être nématique sans ordre magnétique à longue portée fournit un bouton supplémentaire pour accéder à la physique des supraconducteurs à base de fer. Dans ce travail, l’expérience a découvert quelque chose de vraiment frappant, à savoir que les excitations de spin à haute énergie sont dispersives et non amorties, ce qui signifie qu’elles ont une relation bien définie entre l’énergie et la quantité de mouvement. »

    Dans tous les supraconducteurs à base de fer, les atomes de fer sont disposés en feuilles 2D qui sont prises en sandwich entre les feuilles supérieure et inférieure d’autres éléments, le sélénium dans le cas du séléniure de fer. Les atomes dans les feuilles de fer 2D sont espacés en damier, exactement à la même distance les uns des autres dans les directions gauche-droite et avant-arrière. Mais comme les matériaux sont refroidis près du point de supraconductivité, les tôles de fer subissent un léger changement structurel. Au lieu de carrés exacts, les atomes forment des losanges oblongs comme des terrains de baseball, où la distance entre le marbre et la deuxième base est plus courte que la distance entre la première et la troisième base. La nématicité électronique se produit parallèlement à ce changement, prenant la forme d’une résistance électrique ou d’une conductivité accrue ou diminuée uniquement dans le sens de la maison à la seconde ou de la première à la troisième.

    Alors que la nématicité structurelle était connue pour exister dans le séléniure de fer, une propriété connue sous le nom de jumelage rendait impossible la mesure précise jusqu’à une percée en 2019 par Dai, Lu et le co-auteur de l’étude Tong Chen, un ancien étudiant diplômé du laboratoire de Dai qui a obtenu son diplôme en 2021.

    Dans les supraconducteurs à base de fer, le maclage se produit lorsque de fines feuilles de matériaux sont empilées et que les couches de fer dans les feuilles sont mal alignées. Imaginez 100 terrains de baseball empilés les uns sur les autres, la ligne entre le marbre et la deuxième base pointant dans une direction aléatoire dans chaque couche. Pour mesurer avec précision la nématicité, toutes les couches devaient être alignées.

    Le séléniure de fer est un matériau mou qui se déforme facilement, mais Chen a minutieusement collé des dizaines de couches de cristaux mous sur un supraconducteur à base de fer plus dur, l’arséniure de fer et de baryum, que le laboratoire de Dai avait précédemment montré qu’il pouvait démêler en pressant. Le ferroutage a porté ses fruits lorsque des expériences ont montré que les couches de séléniure de fer s’alignaient lorsque l’arséniure de fer et de baryum était démêlé.

    Dans l’étude de 2019, Dai, Chen et Lu, un autre ancien étudiant de Dai, ont mesuré le comportement des spins d’électrons à basse énergie avec une diffusion inélastique des neutrons. Dans les dernières expériences, la diffusion inélastique des rayons X a révélé un comportement de spin à des niveaux d’énergie élevés.

    « Étant donné que la profondeur de pénétration du RIXS n’est que de quelques micromètres, le spot du faisceau RIXS peut être déplacé du séléniure de fer à l’arséniure de fer et de baryum, ce qui nous permet de distinguer clairement ce qui se passe dans chacun », a déclaré Dai, professeur Sam et Helen Worden de Rice. de professeur de physique et d’astronomie. « RIXS est complémentaire aux expériences que nous avons faites en 2019 car il peut sonder les excitations de spin à haute énergie mais n’a pas la résolution nécessaire pour examiner les excitations à basse énergie. »

    Malgré l’absence d’ordre magnétique, les expériences à haute énergie ont révélé un très fort comportement de spin dépendant de la direction connu sous le nom d’anisotropie de spin.

    « Extraordinairement, nous avons pu révéler une anisotropie de spin comparable – sinon supérieure – à celle de l’arséniure de fer et de baryum déjà hautement anisotrope », a déclaré Lu, professeur de physique à Beijing Normal. « Cette anisotropie de spin diminue avec l’augmentation de la température et disparaît autour de la température de transition nématique – la température à laquelle le matériau cesse d’être dans un état nématique électronique. »

    Les chercheurs ont déclaré que les résultats indiquent que la nématicité dans le séléniure de fer est entraînée par des excitations de spin quantique.

    « Ces caractéristiques sont les rêves des théoriciens, car elles informent directement la compréhension théorique », a déclaré Si, l’un des deux théoriciens de l’article. L’autre, Rong Yu de l’Université Renmin de Pékin, est un collaborateur de longue date et ancien chercheur postdoctoral du groupe de Si à Rice.

    « Nous avons pu fournir une compréhension qualitative et même semi-quantitative du spectre d’excitation de spin observé sur la base d’un modèle théorique du magnétisme quantique que Rong Yu et moi avions avancé il y a plusieurs années pour le séléniure de fer », a déclaré Si. « L’effort de déjumelage, qui a été initié par les travaux de Pengcheng en 2019, récolte des fruits à un niveau que je ne pensais pas possible auparavant.

    « Cela montre que les fluctuations magnétiques quantiques sont principalement responsables du développement de la corrélation nématique électronique », a déclaré Si. « De plus, les excitations de spin à haute énergie qu’il a révélées dans le séléniure de fer corroborent d’autres propriétés électroniques en impliquant de forts effets de corrélation électronique comme provoquant une supraconductivité à haute température dans les supraconducteurs à base de fer. »

    Si est professeur de physique et d’astronomie Harry C. et Olga K. Wiess et directeur du Rice Center for Quantum Materials.

    Les co-auteurs supplémentaires incluent l’ancien élève de Rice Yu Song ’17 de l’Université du Zhejiang, Wenliang Zhang, Yi Tseng, Eugenio Paris et Vladimir Strocov de PSI et Ruixian Liu, Zhen Tao et Panpan Liu de Beijing Normal.

    La recherche à Rice a été financée par le ministère de l’Énergie (DE-SC0012311, DE-SC0018197) et la Welch Foundation (C-1839, C-1411).

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