Резонансное неупругое рассеяние рентгеновских лучей выявило высокоэнергетические нематические спиновые корреляции в нематическом состоянии сверхпроводника на основе железа FeSe. Изображение: Пекинский педагогический университет/Ци Тан и Синъе Лу. Предоставлено: Пекинский педагогический университет/Ци Тан и Синъе Лу.

Рядом с PSI, где всегда есть швейцарский лес, часто встречаются невероятно аккуратные штабеля бревен. Клиновидные бревна для дров аккуратно укладываются вдоль, но мало думают об их вращении. Когда частицы в материале спонтанно выстраиваются в линию, как бревна в этой куче бревен, так что они нарушают вращательную симметрию, но сохраняют трансляционную симметрию, говорят, что материал находится в нематическом состоянии. В жидком кристалле, это означает, что молекулы в форме стержней могут течь как жидкость в направлении их выравнивания, но не в других направлениях. Электронная нематичность возникает, когда электронные орбитали в материале выстраиваются таким образом. Обычно эта электронная нематичность проявляется в виде анизотропных электронных свойств: например, удельное сопротивление или проводимость имеют совершенно разные величины при измерении по разным осям.

С момента их открытия в 2008 году в последнее десятилетие наблюдается огромный интерес к семейству сверхпроводников на основе железа. Наряду с хорошо изученными купратными сверхпроводниками эти материалы демонстрируют таинственное явление высокотемпературной сверхпроводимости. Электронное нематическое состояние является повсеместной особенностью сверхпроводников на основе железа. Тем не менее, до сих пор физическое происхождение этой электронной нематичности остается загадкой; на самом деле, возможно, это одна из самых важных загадок в изучении сверхпроводников на основе железа.

Но чем так интересна электронная нематичность? Ответ заключается в постоянно волнующей загадке: понимании того, как электроны объединяются в пары и достигают сверхпроводимости при высоких температурах. Истории электронной нематичности и сверхпроводимости неразрывно связаны, но как именно и действительно ли они конкурируют или взаимодействуют, является предметом горячих споров.

Стремление понять электронную нематичность побудило исследователей обратить свое внимание на один конкретный сверхпроводник на основе железа, селенид железа (FeSe). FeSe является своего рода загадкой, одновременно обладая самой простой кристаллической структурой среди всех сверхпроводников на основе железа и самыми загадочными электронными свойствами.

FeSe входит в свою сверхпроводящую фазу ниже критической температуры (T _c ) 9 K, но соблазнительно может похвастаться настраиваемой T _c, а это означает, что эта температураможно повысить, приложив давление к материалу или легировав его. Квази-двумерный слоистый материал обладает расширенной электронной нематической фазой, которая проявляется ниже примерно 90 К. Любопытно, что эта электронная нематичность проявляется без дальнего магнитного порядка, с которым она обычно идет рука об руку, что приводит к оживленным спорам вокруг ее происхождения а именно, управляются ли они орбитальными или спиновыми степенями свободы. Отсутствие дальнего магнитного порядка в FeSe дает возможность получить более четкое представление об электронной нематичности и ее взаимодействии со сверхпроводимостью. В результате многие исследователи считают, что FeSe может быть ключом к пониманию загадки электронной нематичности в семействе сверхпроводников на основе железа.

Измерение анизотропии спинового возбуждения с помощью резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS)

Чтобы определить происхождение электронной нематичности FeSe, ученые из группы PSI по спектроскопии квантовых материалов обратились к методу резонансного неупругого рассеяния рентгеновских лучей (RIXS) на линии луча ADRESS швейцарского источника света (SLS). Сочетая в себе принципы рентгеновской абсорбционной и эмиссионной спектроскопии, этот метод является высокоэффективным инструментом для исследования магнитных или спиновых возбуждений материала.

«В PSI у нас есть одна из самых передовых установок для RIXS в мире. Среди первых, кто продвинул эту технику 15 лет назад, мы создали очень хорошо развитую установку для экспериментов такого типа», — объясняет Торстен Шмитт, который руководил исследованием вместе с Синье Лу из Пекинского педагогического университета. «В частности, характеристики синхротронного излучения благодаря конструкции кольца SLS идеально подходят для мягкого рентгеновского диапазона, в котором проводились эти эксперименты».

Чтобы изучить спиновую анизотропию FeSe с помощью RIXS, ученым сначала нужно было преодолеть практическое препятствие. Чтобы измерить анизотропное поведение нематика, образец сначала нужно было «раздвоить». Двойникование происходит, когда кристаллы в наложенных друг на друга слоях выстраиваются с одинаковой вероятностью вдоль произвольных направлений, что скрывает любую информацию об анизотропном поведении. Разделение двойников — это распространенный кристаллографический метод подготовки образцов, при котором обычно к образцу прикладывается давление, которое заставляет кристаллы выравниваться вдоль структурных направлений.

Для FeSe это не работает. Примените это давление к FeSe, и мягкий материал просто деформируется или сломается. Поэтому команда использовала метод непрямого раздвоения, при котором FeSe приклеивается к материалу, который можно раздвоить: арсениду железа бария (BaFe ₂ As ₂ ).«Когда мы применяем одноосное давление к BaFe ₂ As ₂ , это создает деформацию около 0,36%, чего достаточно, чтобы одновременно раздвоить FeSe», — объясняет Синье Лу, который ранее продемонстрировал ее осуществимость вместе с Тонг Ченом. и Пенгченг Дай из Университета Райса за исследования FeSe с неупругим рассеянием нейтронов.

Эксперименты по неупругому рассеянию нейтронов выявили спиновую анизотропию в FeSe при низких энергиях; но измерение высокоэнергетических спиновых возбуждений было необходимо, чтобы связать эти спиновые флуктуации с электронной нематичностью. Измерение спиновых возбуждений на уровне энергий около 200 мэВ — намного выше энергетического разделения между орбитальными энергетическими уровнями — позволило бы исключить орбитальные степени свободы как источник электронной нематичности. После успешного завершения дедвойникования исследователи смогли исследовать важные высокоэнергетические спиновые возбуждения FeSe, а также BaFe ₂ As ₂, используя RIXS.

Исследователи исследовали спиновую анизотропию в направлении связи Fe-Fe. Чтобы оценить спиновую анизотропию, команда измерила спиновые возбуждения в двух ортогональных направлениях и сравнила ответы. Выполняя измерения при повышении температуры, команда смогла определить критическую температуру, при которой поведение нематика исчезло, и сравнить наблюдения спиновой анизотропии с электронной анизотропией, наблюдаемой при измерениях удельного сопротивления.

Исследователи сначала измерили раздвоенный BaFe ₂ As ₂, который имеет хорошо охарактеризованную анизотропную спиновую структуру и дальний магнитный порядок, и использовали его в качестве эталона. Измерения отклика спинового возбуждения вдоль двух ортогональных направлений показали явную асимметрию: проявление нематичности.

Затем команда провела тот же эксперимент с FeSe, лишенным двойников. Несмотря на отсутствие магнитного упорядочения, они наблюдали очень сильную спиновую анизотропию по отношению к двум осям. «Удивительно, но мы смогли обнаружить спиновую анизотропию, сравнимую, если не большую, с таковой в уже сильно анизотропном BaFe ₂ As ₂ », — говорит Синье Лу. «Эта спиновая анизотропия уменьшается с повышением температуры и исчезает около температуры нематического перехода — температуры, при которой материал перестает находиться в электронном нематическом состоянии».

Происхождение электронной нематичности в FeSe: к лучшему пониманию электронного поведения в сверхпроводниках на основе железа

Масштаб энергии спиновых возбуждений около 200 мэВ, что намного выше, чем расстояние между орбитальными уровнями, демонстрирует, что электронная нематичность в FeSe в основном обусловлена ​​спином. «Это стало большим сюрпризом, — объясняет Торстен Шмитт. «Теперь мы могли установить связь между электронной нематичностью, проявляющейся как анизотропное удельное сопротивление, с наличием нематичности в спиновых возбуждениях».

Но что означают эти выводы? Взаимодействие между магнетизмом, электронной нематичностью и сверхпроводимостью является ключевым вопросом в нетрадиционных сверхпроводниках. Считается, что квантовые флуктуации электронной нематичности могут способствовать высокотемпературной сверхпроводимости в сверхпроводниках на основе железа. Эти результаты обеспечивают долгожданное понимание механизма электронной нематичности в FeSe. Но в более широком смысле они добавляют важную часть к головоломке понимания электронного поведения в сверхпроводниках на основе железа и, в конечном счете, того, как это связано со сверхпроводимостью. Следующими шагами будет выяснить, вращается лиуправляемое электронным нематиком поведение сохраняется у других членов семейства сверхпроводников на основе железа, и, кроме того, верны ли подозрения, что оно может возникать в других направлениях, кроме оси связи Fe-Fe.