Des chercheurs du groupe Spectroscopie des matériaux quantiques du PSI et des scientifiques de l'Université normale de Pékin ont résolu une énigme à la pointe de la recherche sur les supraconducteurs à base de fer :l'origine de la nématicité électronique de FeSe. En utilisant la diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) à la source de lumière suisse (SLS), ils ont découvert que, de manière surprenante, ce phénomène électronique est principalement entraîné par le spin. On pense que la nématicité électronique est un ingrédient important de la supraconductivité à haute température, mais on ne sait toujours pas si elle l'aide ou l'entrave. Leurs découvertes sont publiées dans Nature Physics .

Près de PSI, où la forêt suisse est omniprésente, il y a souvent des tas de bûches incroyablement soignés. Les bûches en forme de coin pour le bois de chauffage sont soigneusement empilées dans le sens de la longueur, mais sans réfléchir à leur rotation. Lorsque les particules d'un matériau s'alignent spontanément, comme les bûches dans ces tas de bûches, de sorte qu'elles brisent la symétrie de rotation mais préservent la symétrie de translation, on dit qu'un matériau est dans un état nématique. Dans un cristal liquide, cela signifie que les molécules en forme de tige peuvent s'écouler comme un liquide dans la direction de leur alignement, mais pas dans les autres directions. La nématicité électronique se produit lorsque les orbitales d'électrons dans un matériau s'alignent de cette manière. En règle générale, cette nématicité électronique se manifeste par des propriétés électroniques anisotropes :par exemple, une résistivité ou une conductivité présentant des amplitudes très différentes lorsqu'elles sont mesurées le long de différents axes.

Depuis leur découverte en 2008, la dernière décennie a vu un énorme intérêt pour la famille des supraconducteurs à base de fer. Aux côtés des supraconducteurs cuprates bien étudiés, ces matériaux présentent le mystérieux phénomène de supraconductivité à haute température. L'état nématique électronique est une caractéristique omniprésente des supraconducteurs à base de fer. Pourtant, jusqu'à présent, l'origine physique de cette nématicité électronique est une énigme; en fait, sans doute l'une des énigmes les plus importantes dans l'étude des supraconducteurs à base de fer.

Mais pourquoi la nématicité électronique est-elle si intéressante ? La réponse réside dans l'énigme toujours passionnante :comprendre comment les électrons s'apparient et atteignent la supraconductivité à haute température. Les histoires de la nématicité électronique et de la supraconductivité sont inextricablement liées, mais comment exactement, et même si elles se font concurrence ou coopèrent, est une question âprement débattue.

La volonté de comprendre la nématicité électronique a conduit les chercheurs à porter leur attention sur un supraconducteur particulier à base de fer, le séléniure de fer (FeSe). FeSe est en quelque sorte une énigme, possédant à la fois la structure cristalline la plus simple de tous les supraconducteurs à base de fer et les propriétés électroniques les plus déconcertantes.

FeSe entre dans sa phase supraconductrice en dessous d'une température critique (T_c ) de 9 K mais avec un T_c réglable , ce qui signifie que cette température peut être augmenté en appliquant une pression ou en dopant le matériau. Le matériau en couches quasi-2D possède une phase nématique électronique étendue, qui apparaît en dessous d'environ 90 K. Curieusement, cette nématicité électronique apparaît sans l'ordre magnétique à longue portée avec lequel elle irait généralement de pair, ce qui conduit à un débat animé autour de ses origines. :à savoir, si ceux-ci sont entraînés par des degrés de liberté orbitaux ou de spin. L'absence d'ordre magnétique à longue portée dans FeSe donne l'opportunité d'avoir une vision plus claire de la nématicité électronique et de son interaction avec la supraconductivité. En conséquence, de nombreux chercheurs pensent que FeSe pourrait détenir la clé pour comprendre le puzzle de la nématicité électronique dans la famille des supraconducteurs à base de fer.

Mesurer les anisotropies d'excitation de spin avec la diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS)

Pour déterminer l'origine de la nématicité électronique de FeSe, des scientifiques du groupe Spectroscopie des matériaux quantiques du PSI se sont tournés vers la technique de diffusion inélastique résonnante des rayons X (RIXS) sur la ligne de lumière ADRESS de la source de lumière suisse (SLS). Combinant les principes des spectroscopies d'absorption et d'émission de rayons X, cette technique est un outil très efficace pour explorer les excitations magnétiques ou de spin d'un matériau.

"Au PSI, nous avons l'une des installations les plus avancées pour RIXS au monde. Parmi les premiers à pousser cette technique il y a 15 ans, nous avons maintenant mis en place une installation très bien développée pour ce type d'expériences", explique Thorsten Schmitt , qui a dirigé l'étude avec Xingye Lu de l'Université normale de Pékin. "En particulier, les caractéristiques du rayonnement synchrotron dues à la conception de l'anneau SLS sont idéales pour la gamme de rayons X mous dans laquelle ces expériences ont été réalisées."

Pour étudier les anisotropies de spin de FeSe à l'aide de RIXS, les scientifiques devaient d'abord surmonter un obstacle pratique. Afin de mesurer le comportement nématique anisotrope, l'échantillon devait d'abord être "déjumelé". Le jumelage se produit lorsque des cristaux dans des couches empilées sont alignés avec la même probabilité dans des directions arbitraires, masquant ainsi toute information sur le comportement anisotrope. Le déjumelage est une technique courante de préparation d'échantillons cristallographiques, dans laquelle une pression est généralement appliquée à l'échantillon, ce qui entraîne l'alignement des cristaux le long des directions structurelles.

Pour FeSe, cela ne fonctionne pas. Appliquez cette pression à FeSe et le matériau souple se déforme simplement ou se casse. Par conséquent, l'équipe a utilisé une méthode de déjumelage indirect, dans laquelle FeSe est collé à un matériau qui peut être démaculé :arséniure de baryum et de fer (BaFe₂ Comme₂ ). "Lorsque nous appliquons une pression uniaxiale à BaFe₂ Comme₂ , cela génère une déformation d'environ 0,36 %, ce qui est juste suffisant pour démêler FeSe en même temps", explique Xingye Lu, qui avait précédemment démontré sa faisabilité avec Tong Chen et Pengcheng Dai de l'Université Rice pour des études de FeSe avec des neutrons inélastiques. diffusion.

Des expériences de diffusion inélastique de neutrons avaient révélé des anisotropies de spin dans FeSe à faible énergie; mais mesure de élevé -les excitations de spin énergétique, étaient indispensables pour lier ces fluctuations de spin à la nématicité électronique. La mesure des excitations de spin à une échelle d'énergie d'environ 200 meV - bien au-dessus de la séparation d'énergie entre les niveaux d'énergie orbitaux - permettrait d'exclure les degrés de liberté orbitaux comme source de la nématicité électronique. Une fois le déjumelage réussi, les chercheurs ont pu sonder les excitations cruciales de spin à haute énergie de FeSe, ainsi que BaFe₂ Comme₂ , en utilisant RIXS.

Les chercheurs ont étudié l'anisotropie de spin dans la direction de la liaison Fe-Fe. Pour juger de l'anisotropie de spin, l'équipe a mesuré les excitations de spin le long de deux directions orthogonales et a comparé les réponses. En effectuant des mesures sous des températures croissantes, l'équipe a pu déterminer la température critique à laquelle le comportement nématique disparaissait et comparer les observations d'anisotropies de spin aux anisotropies électroniques, observées par des mesures de résistivité.

Les chercheurs ont d'abord mesuré le BaFe₂ démaculé Comme₂ , qui a une structure de spin anisotrope bien caractérisée et un ordre magnétique à longue portée et l'a utilisé comme référence. Les mesures de la réponse d'excitation de spin le long des deux directions orthogonales ont montré une nette asymétrie :la manifestation de la nématicité.

L'équipe a ensuite réalisé la même expérience dans FeSe démaculé. Malgré l'absence d'ordre magnétique, ils ont observé une très forte anisotropie de spin par rapport aux deux axes. "Extraordinairement, nous avons pu révéler une anisotropie de spin comparable, sinon supérieure, à celle du BaFe₂, déjà hautement anisotrope. Comme₂ ", explique Xingye Lu. "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."

L'origine de la nématicité électronique dans FeSe :vers une meilleure compréhension du comportement électronique dans les supraconducteurs à base de fer

L'échelle d'énergie des excitations de spin d'environ 200 meV, qui est bien supérieure à la séparation entre les niveaux orbitaux, démontre que la nématicité électronique dans FeSe est principalement entraînée par le spin. "Ce fut une grande surprise", explique Thorsten Schmitt. "Nous pourrions maintenant faire le lien entre la nématicité électronique, se manifestant par une résistivité anisotrope, avec la présence de nématicité dans les excitations de spin."

Mais que signifient ces découvertes ? L'interaction entre le magnétisme, la nématicité électronique et la supraconductivité est un problème clé dans les supraconducteurs non conventionnels. On pense que les fluctuations quantiques de la nématicité électronique peuvent favoriser la supraconductivité à haute température dans les supraconducteurs à base de fer. Ces résultats fournissent un aperçu recherché depuis longtemps sur le mécanisme de la nématicité électronique dans FeSe. Mais plus largement, ils ajoutent une pièce importante au puzzle de la compréhension du comportement électronique dans les supraconducteurs à base de fer et, finalement, comment cela est lié à la supraconductivité. Les prochaines étapes consisteront à déterminer si le comportement nématique électronique entraîné par le spin persiste dans d'autres membres de la famille des supraconducteurs à base de fer, et en outre, si les soupçons selon lesquels il peut survenir dans d'autres directions que l'axe de liaison Fe-Fe sont corrects. + Explorer plus loin

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