En utilisant une technique intelligente qui provoque l'alignement des cristaux indisciplinés de séléniure de fer, Les physiciens de l'Université Rice ont dessiné une carte détaillée qui révèle les "règles de la route" pour les électrons à la fois dans des conditions normales et dans les moments critiques juste avant que le matériau ne se transforme en supraconducteur.

Dans une étude en ligne cette semaine dans la revue American Physical Society Examen physique X ( PRX ), le physicien Ming Yi et ses collègues proposent une carte de structure de bande pour le séléniure de fer, un matériau qui a longtemps intrigué les physiciens en raison de sa simplicité structurelle et de sa complexité comportementale. La carte, qui détaille les états électroniques du matériau, est un résumé visuel des données recueillies à partir des mesures d'un monocristal de séléniure de fer tel qu'il a été refroidi au point de supraconductivité.

Yi a commencé les expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire pour l'étude lors d'un séjour postdoctoral à l'Université de Californie, Berkeley. Les expériences techniquement difficiles ont utilisé la puissante lumière synchrotron de la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) pour amener le cristal à émettre des électrons.

« Dans un sens, ces mesures sont comme prendre des photographies d'électrons qui s'envolent du matériau, " dit-elle. " Chaque photographie raconte la vie que les électrons vivaient juste avant d'être expulsés du matériau par les photons. En analysant toutes les photos, nous pouvons reconstituer la physique sous-jacente qui explique toutes leurs histoires."

Caméras à lumière rouge pour les électrons

Le détecteur d'électrons suivait à la fois la vitesse et la direction dans lesquelles les électrons se déplaçaient lorsqu'ils étaient émis par le cristal. Ces informations contenaient des indices importants sur les lois de la mécanique quantique qui dictaient les schémas de circulation à une plus grande échelle, échelle microscopique, où les aspects clés de la supraconductivité sont censés se poser.

Ces règles sont encodées dans la structure électronique d'un matériau, dit Yi.

"Ils sont comme une empreinte électronique d'un matériau, " dit-elle. " Chaque matériau a sa propre empreinte digitale unique, qui décrit les états d'énergie autorisés que les électrons peuvent occuper sur la base de la mécanique quantique. La structure électronique nous aide à décider, par exemple, si quelque chose sera un bon conducteur ou un bon isolant ou un supraconducteur."

Quand les choses tournent mal

La résistance électrique est ce qui cause les fils, smartphones et ordinateurs à chauffer pendant l'utilisation, et cela coûte des milliards de dollars chaque année en perte d'électricité sur les réseaux électriques et en frais de refroidissement pour les centres de données. Supraconductivité, le flux d'électricité à résistance nulle, pourrait éliminer ces déchets, mais les physiciens ont eu du mal à comprendre et à expliquer le comportement des supraconducteurs non conventionnels comme le séléniure de fer.

Yi était aux études supérieures lorsque les premiers supraconducteurs à base de fer ont été découverts en 2008, et elle a passé sa carrière à les étudier. Dans chacun d'eux, une couche de fer de l'épaisseur d'un atome est prise en sandwich entre d'autres éléments. À température ambiante, les atomes de cette couche de fer sont disposés en carrés en damier. Mais lorsque les matériaux sont refroidis près du point de supraconductivité, les atomes de fer se déplacent et les carrés deviennent rectangulaires. Ce changement entraîne un comportement dépendant de la direction, ou la nématicité, qui jouerait un rôle important mais indéterminé dans la supraconductivité.

"Le séléniure de fer est spécial car dans tous les autres matériaux à base de fer, la nématicité apparaît avec l'ordre magnétique, " dit Yi. " Si vous avez deux ordres qui se forment ensemble, il est très difficile de dire ce qui est le plus important, et comment chacun affecte la supraconductivité. Dans le séléniure de fer, vous n'avez que la nématicité, cela nous donne donc une chance unique d'étudier comment la nématicité contribue à la supraconductivité par elle-même."

Jouer sous pression

Le résultat de la nématicité est que les modèles de trafic d'électrons - et les règles quantiques qui provoquent les modèles - peuvent être très différents pour les électrons circulant de droite à gauche, le long du grand axe des rectangles, que pour les électrons circulant de haut en bas le long du petit axe. Mais obtenir un aperçu clair de ces modèles de trafic de séléniure de fer a été difficile en raison du jumelage, une propriété des cristaux qui fait que les rectangles changent d'orientation de manière aléatoire de 90 degrés. Le jumelage signifie que les rectangles à axe long se déplaceront de gauche à droite environ la moitié du temps et de haut en bas l'autre moitié.

Le jumelage au séléniure de fer a rendu impossible l'obtention de limpides, mesures de l'ordre nématique sur des échantillons entiers dans le matériau jusqu'à ce que les physiciens de Rice Pengcheng Dai et Tong Chen publient une solution intelligente au problème en mai. S'appuyant sur une technique de déjumelage développée par Dai et ses collègues en 2014, Chen a découvert qu'il pouvait démêler de fragiles cristaux de séléniure de fer en les collant sur une couche plus solide d'arséniure de baryum et de fer et en tournant une vis pour appliquer un peu de pression. La technique amène toutes les couches nématiques du séléniure de fer à s'aligner.

Dai et Chen étaient co-auteurs de l'article PRX, et Yi a déclaré que la technique de déjumelage était essentielle pour obtenir des données claires sur l'impact de la nématicité sur le comportement électronique du séléniure de fer.

"Cette étude n'aurait pas été possible sans la technique de déjumelage développée par Pengcheng et Tong, " a déclaré Yi. " Cela nous a permis de jeter un coup d'œil aux arrangements des états électroniques alors que le système matériel se prépare pour la supraconductivité. Nous avons pu faire des déclarations précises sur la disponibilité des électrons appartenant à différentes orbitales qui pourraient participer à la supraconductivité lorsque les règles nématiques doivent être respectées."

Une voie à suivre

Yi a déclaré que les données montrent que l'ampleur des déplacements nématiques dans le séléniure de fer est comparable aux déplacements mesurés dans des supraconducteurs à base de fer plus complexes qui présentent également un ordre magnétique. Elle a dit que cela suggère que la nématicité observée dans le séléniure de fer pourrait être une caractéristique universelle de tous les supraconducteurs à base de fer, indépendamment de la présence d'un magnétisme à longue portée. Et elle espère que ses données permettront aux théoriciens d'explorer cette possibilité et d'autres.

"Cet ensemble de mesures fournira des orientations précises pour les modèles théoriques visant à décrire l'état supraconducteur nématique dans les supraconducteurs à base de fer, " dit-elle. " C'est important parce que la nématicité joue un rôle dans l'apparition de la supraconductivité dans tous ces matériaux. "