超导体的磁性角色揭露了

在非常规超导体的万神殿中,硒化铁是一颗摇滚明星。但美国,中国和欧洲物理学家的新实验发现,这种材料的磁性角色出乎意料地平凡无奇。

莱斯大学物理学家彭鹏程,本周在线发表在“自然材料”杂志上的研究成果研究的对应作者,对硒化铁进行了这一底线评估:“这是一种花园式铁基超导体。超导的基本物理学类似我们在所有其他铁基超导体中发现的东西。“

该结论基于过去一年在美国,德国和英国进行的中子散射实验的数据。该实验产生了对硒化铁晶体的动态磁性的第一次测量,所述硒化铁晶体经历了在材料冷却时但在其冷却至超导性点之前发生的特征性结构偏移。

“硒化铁与其他铁基超导体在很多方面完全不同,”莱斯是物理和天文学教授,赖斯量子材料中心(RCQM)的成员。“它具有最简单的结构,仅由两个元素组成。所有其他元素至少具有三个元素和更复杂的结构。硒化铁也是唯一没有磁性顺序且没有母体化合物的元素。”

自2008年以来,已经发现了数十种铁基超导体。在每一种中,铁原子形成一个二维片材,夹在由其他元素组成的顶部和底部片材之间。在硒化铁的情况下,顶部和底部片材是纯硒,但在其他材料中,这些片材由两种或更多种元素制成。在硒化铁和其他铁基超导体中,中心2D片材中的铁原子以棋盘方式间隔开,在左右方向和前后方向上彼此完全相同的距离。

随着材料的冷却,它们会发生轻微的结构变化。铁原子不是精确的正方形,而是形成椭圆形的菱形。这些就像棒球钻石,其中本垒板和第二基座之间的距离短于第一和第三基座之间的距离。并且铁原子之间的这种变化导致铁基超导体表现出取向依赖的行为,例如仅在家庭到第二或第一到第三的方向上增加的电阻或电导率。

物理学家将这种方向依赖行为称为各向异性或向列性,虽然已知结构向列性发生在硒化铁中,但戴说,由于称为孪晶的性质,不可能测量材料的精确电子和磁性顺序。当堆叠随机取向的2D晶体层时发生孪晶。想象一下,100个棒球钻石堆叠在另一个之上,本垒板和第二个底座之间的线条随机变化。

“即使在孪生样本中存在方向性依赖的电子订单,你也无法衡量它,因为这些差异是平均值的,你最终测量的净效应为零,”戴说。“我们不得不取消硒化铁样品,看是否有向列电子订单。”

研究的主要作者,戴研究小组的三年级博士生Tong Chen通过巧妙地利用2014年的一项研究解决了这对孪生问题,在这项研究中,戴和同事们施加压力以减少砷化铁钡的晶体。不可能将相同的方法应用于硒化铁,因为晶体的尺寸要小100倍,因此Chen将较小的晶体粘在较大的晶体上面,这说明对齐较大的样品所需的压力也会导致硒化铁层发生爆裂对齐。

陈花了几个星期创建了几个样本来测试中子散射光束。必须将约20至30平方毫米的硒化铁对齐并放置在每个砷化铁钡晶体的顶上。应用每个小方块都是艰苦的工作,涉及显微镜,镊子和特殊的无氢胶,每盎司花费近1000美元。

当Chen测试样品并发现硒化铁被剔除时,工作得到了回报。橡树岭国家实验室,国家标准与技术研究所,慕尼黑工业大学和英国卢瑟福 - 阿普尔顿实验室的中子散射光束测试也表明,硒化铁的电子行为与其他铁超导体非常相似。

“关键的结论是,与硒化铁中的超导性相关的磁相关性是高度各向异性的,就像它们在其他铁超导体中一样,”戴说。“这是一个非常有争议的观点,因为与所有其他铁基超导体不同,硒化铁没有具有反铁磁有序性的母体化合物,这导致一些人认为超导电性在硒化铁中产生的方式与完全不同。它出现在其他人身上。我们的结果表明情况并非如此。你不需要一种全新的方法来理解它。