Le potentiel chimique est un concept fondamental en physique de la matière condensée. Alors que les équations pertinentes qui le définissent peuvent être trouvées dans n'importe quel manuel de physique de premier cycle, sa dépendance à la température dans les systèmes qui sont de bons conducteurs est généralement insignifiante. Par conséquent, malgré un intérêt de recherche intensif pour FeSe, un supraconducteur non conventionnel présentant plusieurs propriétés extraordinaires, la dépendance à la température du potentiel chimique a été précédemment négligée.

Dans un article récent publié sous la forme d'une suggestion de l'éditeur dans Examen physique B , La collaboration entre l'équipe de la ligne de lumière I05 de Diamond Light Source et l'Université Royal Holloway de Londres a montré que, sur la base des détails fins de la structure électronique du matériau, une variation substantielle de l'effet potentiel chimique est à prévoir. Ils ont ensuite testé cette hypothèse en utilisant des mesures de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) à haute résolution sur la ligne de lumière ARPES (I05) à Diamond, trouvant un effet encore plus important expérimentalement que dans leur modélisation théorique. D'autre part, le déplacement du potentiel chimique est le seul effet observé, excluant un scénario alternatif dans lequel les bandes électroniques évoluent continuellement d'elles-mêmes en fonction de la température. Les résultats ont des implications importantes pour la compréhension du comportement complexe de FeSe, en particulier à des températures plus élevées.

Le potentiel chimique – toujours important, mais parfois négligé

Les électrons dans les solides obéissent à deux règles de base :d'abord, ils ne peuvent pas partager le même état qu'un autre électron, et deuxièmement, ils aiment généralement occuper les états d'énergie disponibles les plus bas. Par conséquent, les électrons "remplissent" tous les états disponibles à partir des états d'énergie les plus bas disponibles, un électron par état, jusqu'à un niveau où tous les électrons ont été comptés. Les scientifiques appellent le niveau qui sépare les états occupés des états inoccupés le « potentiel chimique ». Les choses deviennent un peu floues à haute température, parce que les fluctuations d'énergie thermique permettent aux électrons d'occuper brièvement un état au-dessus du potentiel chimique selon une distribution de probabilité bien connue, mais la notion de potentiel chimique est encore très utile, et apparaît partout en physique de la matière condensée (et en chimie aussi, comme le nom le suggère). En fait, la dépendance en température du potentiel chimique est un concept important en physique des semi-conducteurs, jouer un rôle crucial dans la détermination de la dépendance à la température de la résistance de l'échantillon, par exemple. Cependant dans les bons métaux, par exemple le cuivre élémentaire, le potentiel chimique reste un paramètre important, mais tout changement du potentiel chimique variant en fonction de la température est généralement insignifiant.

Les propriétés uniques de FeSe

Dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur une dépendance à la température étonnamment forte du potentiel chimique dans FeSe. Pourquoi FeSe ? En bref :cela peut sembler un système simple avec seulement deux éléments, les échantillons étant construits à partir de couches de filets carrés Fe-Se, mais ses propriétés fascinantes ont suscité l'intérêt de nombreux groupes expérimentaux et théoriques dans le monde entier. FeSe est devenu un banc d'essai pour les théories qui prétendent expliquer le phénomène de la supraconductivité non conventionnelle et à haute température dans la famille plus large des supraconducteurs à base de fer. Alors que la supraconductivité dans le FeSe normal n'intervient qu'à 8 degrés au-dessus du zéro absolu (8 Kelvin, -265 °C), cette "température critique" peut être quadruplée en la serrant très fort (à 8000 fois la pression atmosphérique), et est peut-être aussi élevé que 100 Kelvin (c'est-à-dire 100 degrés au-dessus du zéro absolu, -173°C) lorsqu'il est cultivé en une seule couche d'une manière particulière. De retour dans les échantillons normaux de FeSe, il a également été montré que la supraconductivité est fortement et inhabituellement influencée par le fait que les réseaux carrés se déforment légèrement en rectangles à 90 Kelvin (-183°C).

Toutes ces propriétés physiques intrigantes fournissent une excellente motivation pour étudier les états électroniques à l'intérieur de l'échantillon. La technique de choix est la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES); où un faisceau lumineux intense (photons) est focalisé sur un échantillon, qui émet des électrons selon l'effet photoélectrique, comme cela a été compris pour la première fois par Einstein en 1905. En analysant l'énergie et la quantité de mouvement des électrons expulsés de l'échantillon de cette manière, les scientifiques sont capables de cartographier la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement autorisée des électrons à l'intérieur du matériau. En réalité, Les mesures à haute résolution de la structure électronique de FeSe par ARPES sur la ligne I05 de Diamond ont déjà apporté plusieurs contributions expérimentales importantes à la compréhension de ce matériau, notamment en ce qui concerne l'influence de la distorsion carré-rectangle des couches de FeSe, se passe en dessous de 90 Kelvin (-183°C). Cependant, dans cette étude, les chercheurs se sont concentrés sur la mesure dans la phase carrée uniquement, de 100 Kelvin (-173°C) à température ambiante (300 Kelvin, 27°C).

Grande dépendance à la température du potentiel chimique prédit et observé dans FeSe

La première étape pour les chercheurs a été d'utiliser les données expérimentales obtenues à 100 Kelvin (-173°C) pour construire un modèle théorique précis des états électroniques du système. Cela a été fait à l'aide d'un « modèle à liaison étroite », où l'on considère les électrons assis sur des sites Fe particuliers dans le réseau, et leur permettant ensuite de « sauter » sur les sites voisins. En ajustant les paramètres du modèle, il a été possible d'atteindre un haut niveau de précision, par rapport aux résultats expérimentaux. Ils ont montré que ce modèle prédisait une grande dépendance à la température du potentiel chimique.

La raison de s'attendre à une grande dépendance de la température du potentiel chimique est que si FeSe est un métal dans le sens où il peut transporter des courants électriques avec une résistance finie (au-dessus de la température de transition supraconductrice), c'est loin d'être un métal typique. En fait, on sait qu'il existe deux sortes de porteurs de charge dans le système, les porteurs « de type électron » et « de type trou ». Ces noms proviennent du comportement des électrons dans les solides :les électrons interagissent tous les uns avec les autres donc ils sont loin de présenter le comportement d'un électron libre dans le vide, mais on peut souvent utiliser une description des électrons avec une "masse effective" modifiée, avec les termes « comme un électron » et « comme un trou » se référant à savoir si cette masse effective est positive (c'est-à-dire comme un électron libre) ou une masse effective négative (un trou).

Dans FeSe, le nombre d'« électrons » et de « trous » est contraint d'être égal afin que le système soit globalement chargé de manière neutre. En fait, il faut être un peu plus précis que cela :"le potentiel chimique à une température donnée s'ajustera de telle sorte que les populations d'électrons et de trous thermiquement moyennes restent égales", a déclaré Luke Rhodes, un doctorant commun entre Diamond et Royal Holloway, et l'auteur principal de l'étude. Dans FeSe, il existe une asymétrie naturelle entre l'électron et les trous; tandis que les électrons ont beaucoup d'états disponibles au-dessus du potentiel chimique pour que les électrons puissent sauter avec les fluctuations thermiques, il n'y en a pratiquement pas de disponible pour les trous. En raison de cette asymétrie, en plus du fait que le nombre d'électrons et de trous est plutôt petit dans FeSe, les calculs théoriques ont indiqué que l'élévation de la température nécessiterait un ajustement substantiel du potentiel chimique.

Les chercheurs se sont ensuite tournés vers l'ARPES haute résolution sur la ligne I05 de Diamond afin de confirmer expérimentalement cet effet. En utilisant des échantillons de haute qualité cultivés à l'Université d'Oxford, ils ont mesuré la structure électronique de FeSe en fonction de la température de 100 à 300 Kelvin (-173°C à 27°C), qui n'avait pas été étudiée auparavant. Ils ont directement observé une variation significative du potentiel chimique, ce qui était encore plus grand que dans le calcul théorique.

Implications pour la modélisation FeSe

Afin de comprendre les diverses propriétés intrigantes de FeSe, les théoriciens commencent souvent par des modèles de la structure électronique, puis étudient le type de tendances et de susceptibilités du modèle vis-à-vis des différents types de transitions de phase. Cependant, comme on le trouve dans cette étude, les détails du modèle comptent vraiment. "Nous avons montré qu'il est important de partir d'un modèle théorique précis, et nous avons également montré que le potentiel chimique doit toujours être soigneusement pris en compte", dit Luke Rhodes. L'équipe de recherche a maintenant l'intention d'utiliser leur modèle pour étudier la transition de phase carré-rectangulaire de FeSe à 90 Kelvin (-183°C), où ils soupçonnent que le potentiel chimique peut également jouer un rôle important.