Au panthéon des supraconducteurs non conventionnels, le séléniure de fer est une rock star. Mais de nouvelles expériences des États-Unis, Des physiciens chinois et européens ont découvert que la personnalité magnétique du matériau était étonnamment banale.

Pengcheng Dai, physicien de l'Université Rice, auteur correspondant d'une étude des résultats publiée en ligne cette semaine dans Matériaux naturels , a proposé cette évaluation de base du séléniure de fer :"C'est un supraconducteur à base de fer de type jardin. La physique fondamentale de la supraconductivité est similaire à ce que nous trouvons dans tous les autres supraconducteurs à base de fer."

Cette conclusion est basée sur les données d'expériences de diffusion de neutrons réalisées au cours de la dernière année aux États-Unis, Allemagne et Royaume-Uni. Les expériences ont produit les premières mesures des propriétés magnétiques dynamiques des cristaux de séléniure de fer qui ont subi un changement structurel caractéristique qui se produit lorsque le matériau est refroidi mais avant qu'il ne soit refroidi au point de supraconductivité.

"Le séléniure de fer est complètement différent de tous les autres supraconducteurs à base de fer à plusieurs égards, " dit Dai, professeur de physique et d'astronomie à Rice et membre du Rice's Center for Quantum Materials (RCQM). "Il a la structure la plus simple, étant composé de seulement deux éléments. Tous les autres ont au moins trois éléments et une structure beaucoup plus compliquée. Le séléniure de fer est également le seul qui n'a pas d'ordre magnétique et aucun composé parent."

Des dizaines de supraconducteurs à base de fer ont été découverts depuis 2008. Dans chacun, les atomes de fer forment une feuille 2-D qui est prise en sandwich entre les feuilles supérieure et inférieure composées d'autres éléments. Dans le cas du séléniure de fer, les feuilles supérieure et inférieure sont en sélénium pur, mais dans d'autres matériaux, ces feuilles sont constituées de deux éléments ou plus. Dans le séléniure de fer et d'autres supraconducteurs à base de fer, les atomes de fer de la feuille centrale 2D sont espacés en damier, exactement la même distance les uns des autres dans le sens gauche-droite et avant-arrière.

Au fur et à mesure que les matériaux refroidissent, ils subissent un léger changement structurel. Au lieu de carrés exacts, les atomes de fer forment des losanges oblongs. Ce sont comme des diamants de baseball, où la distance entre le marbre et le deuxième but est plus courte que la distance entre le premier et le troisième but. Et ce changement entre les atomes de fer fait que les supraconducteurs à base de fer présentent un comportement dépendant de la direction, comme une augmentation de la résistance ou de la conductivité électrique uniquement dans le sens de la maison au deuxième ou du premier au tiers.

Les physiciens appellent ce comportement dépendant de la direction anisotropie ou nématicité, et tandis que la nématicité structurelle est connue pour se produire dans le séléniure de fer, Dai a déclaré qu'il était impossible de mesurer l'ordre électronique et magnétique exact du matériau en raison d'une propriété connue sous le nom de jumelage. Le jumelage se produit lorsque des couches de cristaux 2-D orientés de manière aléatoire sont empilées. Imaginez 100 diamants de baseball empilés les uns sur les autres, avec la ligne entre le marbre et la deuxième base variant au hasard pour chacun.

"Même s'il existe un ordre électronique dépendant de la direction dans un échantillon jumelé, vous ne pouvez pas le mesurer parce que ces différences sont moyennes et vous finissez par mesurer un effet net de zéro, " a déclaré Dai. "Nous avons dû séparer des échantillons de séléniure de fer pour voir s'il y avait un ordre électronique nématique."

L'auteur principal de l'étude, Tong Chen, un doctorat de troisième année. étudiant dans le groupe de recherche de Dai, a résolu le problème du jumelage en s'appuyant intelligemment sur une étude de 2014 dans laquelle Dai et ses collègues ont appliqué une pression pour dédoubler des cristaux d'arséniure de fer baryum. Il était impossible d'appliquer la même méthode au séléniure de fer car les cristaux étaient 100 fois plus petits, alors Chen a collé les plus petits cristaux sur les plus gros, le raisonnement selon lequel la pression nécessaire pour aligner le plus grand échantillon entraînerait également l'alignement des couches de séléniure de fer.

Chen a passé des semaines à créer plusieurs échantillons à tester dans des faisceaux de diffusion de neutrons. Environ 20 à 30 carrés de 1 millimètre de séléniure de fer devaient être alignés et placés au sommet de chaque cristal d'arséniure de fer baryum. Et appliquer chacun des petits carrés était un travail minutieux qui impliquait un microscope, pince à épiler et spécial, colle sans hydrogène qui coûte près de 1 $, 000 par once.

Le travail a porté ses fruits lorsque Chen a testé les échantillons et a découvert que le séléniure de fer était déjumelé. Ces tests avec des faisceaux de diffusion de neutrons au laboratoire national d'Oak Ridge, l'Institut national des normes et de la technologie, l'Université technique de Munich et le laboratoire Rutherford-Appleton du Royaume-Uni ont également montré que le comportement électronique du séléniure de fer est très similaire à celui des autres supraconducteurs de fer.

"La conclusion clé est que les corrélations magnétiques associées à la supraconductivité dans le séléniure de fer sont hautement anisotropes, tout comme ils le sont dans d'autres supraconducteurs de fer, " a déclaré Dai. "Cela a été un point très controversé, parce que le séléniure de fer, contrairement à tous les autres supraconducteurs à base de fer, n'a pas de composé parent qui présente un ordre antiferromagnétique, ce qui a conduit certains à suggérer que la supraconductivité est apparue dans le séléniure de fer d'une manière complètement différente de celle qui apparaît dans ces autres. Nos résultats suggèrent que ce n'est pas le cas. Vous n'avez pas besoin d'une méthode entièrement nouvelle pour le comprendre."