banner
Апр 30, 2020
68 Просмотров

Визуализация нематических переходов в железных сверхпроводниках

Imaging nematic transitions in iron pnictide superconductors

Исследователи из Стэнфордского университета недавно провели углубленное исследование нематических переходов в железных пниктидных сверхпроводниках. В их статье, опубликованной в Nature Physics , представлены новые данные изображений этих переходов, полученные с помощью изобретенного ими микроскопа, получившего название сканирования. Квантовый криогенный атомный микроскоп (SQCRAMscope).

«Мы изобрели новый тип сканирующего зондового микроскопа, несколько лет назад, «Бенджамин Л. Лев, исследователь, который возглавлял исследование, рассказал Phys.org. «Можно думать об этом, как о обычном оптическом микроскопе, но вместо линзы, сфокусированной на каком-то предметном слайде, акцент делается на квантовом газе атомов, которые подняты рядом с образцом».

В новом микроскопе, изобретенном Левом и его коллегами, атомы поднимаются от устройства захвата «атомного чипа» с использованием магнитных полей, пока они не просто микрон над слайдом образца. Эти атомы могут преобразовывать магнитные поля, которые исходят от образца, в свет, собираемый линзой микроскопа. В результате SQCRAMscope можно использовать для изображения магнитных полей.

«Используемые нами атомы “Ультрахолодное и в квантовом состоянии: они имеют температуру, близкую к абсолютному нулю, и являются одними из самых холодных газов в известной вселенной”, – сказал Лев. «Таким образом, они служат лучшими низкочастотными датчиками магнитного поля микронного масштаба. Атомы можно сканировать по поверхности материала, что позволяет нам записывать 2-D изображение близлежащих полей».

Рассчитав расстояние между атомами в микроскопе и поверхностью материала, исследователи могут изображения источников магнитного поля. Источниками магнитного поля могут быть, например, электроны, которые движутся вокруг или общее намагничивание внутри материала.

Отображение этих источников при их охлаждении с помощью инструмента, известного как «криостат», может в конечном итоге раскрыть новые физические явления, возникающие при различных фазовых переходах. Микроскоп, разработанный Левом и его коллегами, может, таким образом, служить совершенно новым квантовым датчиком для формирования изображения магнитных полей, исходящих из различных материалов, что может привести к новым захватывающим открытиям.

«Как только мы продемонстрировали, что SQCRAMscope работает, мы начали искать лучшее первое научное использование для него», пояснил Лев. «Сверхпроводники на основе железа (pnictide) казались идеальными кандидатами, поскольку они демонстрируют интересное поведение переноса электронов на шкале микронных длин при доступных температурах».

Сверхпроводники железного пниктида имеют ряд необычных и интригующих характеристик. До сегодняшнего дня физики не уверены в том, как работает сверхпроводимость при высоких критических температурах (с высокой Tc), такая как наблюдаемая в этих материалах. Железные сверхпроводники были впервые обнаружены вокруг 2008. Интересно, что исследования показали, что они демонстрируют некоторые поведения, подобные поведению купратных сверхпроводников.

Imaging nematic transitions in iron pnictide superconductors

«Эти` нетрадиционные сверхпроводники (в отличие от обычных, таких как алюминий при низких температурах), существуют в купратных материалах, обнаруженных в середине 80, – сказал Лев. «Механизм, лежащий в основе их сверхпроводимости, остается загадкой. Исследователи, работающие в нашей области, надеются, что объяснение этого механизма обеспечит надежные сверхпроводники комнатной температуры и давления окружающей среды для использования в самых разных технологиях».

Ключевое сходство между сверхпроводниками с торпратом и железом состоит в том, что оба этих материала представляют необычные электронные фазы вещества на более теплой стороне сверхпроводимость. Двумя наиболее известными среди этих фаз материи являются «странный металл» и «электронно-нематическая» фазы. Электронная нематическая фаза является примером квантового жидкого кристалла, похожего на классические жидкие кристаллы, обнаруженные на ЖК-дисплеях.

«Эти классические кристаллы являются нематиками, то есть все молекулы в форме палочек ориентированы вдоль одного направления, нарушая симметрию вращения материала», – сказал Лев. Другими словами, молекулы выбирают одно предпочтительное направление, чтобы указать вдоль. Теоретики конденсированного вещества в 90 начал думать о том, как электроны могут делать то же самое. Не то, чтобы электроны были чем-то иным, как точечные (насколько мы знаем в настоящее время), но что ниже критической температуры перехода, они решили бы преференциально поток (т. е. проводящий или транспортирующий) вдоль одного определенного направления в кристалле, снова нарушая симметрию вращения; это проявилось бы как анизотропия удельного сопротивления материала. “

Хотя электронная нематика постоянно наблюдается в сверхпроводниках на основе железа, исследователи все еще не уверены в причинах их возникновения и в значении этой уникальной фазы вещества для низкотемпературная сверхпроводящая фаза. Теория еще окончательно не определила, препятствует ли эта фаза, усиливает или играет небольшую роль в определении Tc сверхпроводящей фазы материала.

Пниктиды могут быть идеальными материалами для изучения электронной нематики, так как электроны в них также вызывают спонтанное искажение их структуры кристаллической решетки. Фактически, прошлые исследования показали, что когда электронное удельное сопротивление этих материалов становится анизотропным, их решетка искажается от квадратной формы до параллелограммной формы (т. Е. От тетрагональной к ромбической).

Это преобразование имеет два ключевых последствия. Во-первых, полученные структурные домены имеют анизотропию удельного сопротивления, направленную в ортогональных направлениях. Во-вторых, тот факт, что искажение решетки вращает поляризацию отраженного света, позволяет наблюдать эти домены с помощью оптических микроскопов.

«К сожалению, первое последствие усложняет транспортные измерения», – пояснил Лев. «Нельзя просто измерить анизотропию удельного сопротивления с помощью омметра, потому что сигнал усредняется до нуля по перевернутой доменной структуре. Вот где мы вступаем. Мы избегаем этой проблемы усреднения, используя локальный зонд для отображения локального домена анизотропии по доменам. видя направления, в которых текут электроны, обнаруживая создаваемое ими магнитное поле. “

Лев и его коллеги были первыми, кто успешно изобразил анизотропию локального удельного сопротивления в железных сверхпроводниках. Одной из причин их успеха является то, что используемый ими зонд может работать при повышенных температурах (~ 130 К), такие как те, в которых происходит этот уникальный переход.

Imaging nematic transitions in iron pnictide superconductors

«Стандартный зонд, такой как сканирующая СКВИД магнитометрия, не может реально Образцы изображений при этих температурах с высоким разрешением, потому что само устройство станет слишком теплым и перестанет работать с высокой чувствительностью », – сказал Лев. «Напротив, наш зонд представляет собой просто газ атомов, которые не поглощают тепло из образца. Более того, поскольку атомы прозрачны для большинства длин волн света, мы смогли пролить свет на поверхность, чтобы отобразить эти доменные структуры на в то же время, когда мы принимали магнитометрические сканы. “

Путем визуализации доменных структур и одновременно захватывая магнитометрические сканы, исследователи смогли идентифицировать точные участки, которые они сканировали в материале, и определить, действительно ли сдвиг в решетчатых структурах, наблюдаемый в железных пикнидных сверхпроводниках, действительно имеет место при той же критической температуре, что и их электронная нематичность. Используя эту двойную систему зондирования, Лев и его коллеги могли подтвердить свои наблюдения, чего никогда не было достигнуто при использовании других зондирующих устройств.

«Способность нашего устройства к локальной визуализации позволила нам измерить более острый электронный нематический переход и увидеть, что он произошел при той же температуре, что и структурный переход», – сказал Лев. «Общее исследовательское сообщество часто спрашивало, действительно ли эти переходы происходили при одной и той же температуре, и мы показали, что они действительно происходят, по крайней мере, в масштабе от микрона до десятков микрон».

Новый микроскоп, разработанный Левом и его коллегами, использует конденсат Бозе-Эйнштейна, чувствительность которого не зависит от температура образца, который анализируется. Таким образом, в дополнение к функции двойного зонда микроскоп может собирать высокоточные измерения при любых температурах от комнатной до криогенных, неинвазивным способом.

Недавнее исследование, проведенное Львом и его коллегами, имеет ряд важных последствий. В частности, он впервые демонстрирует потенциал исследовательского SQCRAMscope для изучения физических явлений.

Используя SQCRAMscope, исследователи смогли собрать первые локальные изображения нематических переходов в сверхпроводниках с железным пикником. Эти изображения дают новое ценное представление о том, как и когда происходят эти переходы. В своих следующих исследованиях исследователи планируют использовать свой квантовый датчик для дальнейшего изучения нематичности, а также для изучения физических явлений в других сложных квантовых материалах.

«Мы собрали длинный список интересных материалов для изучения сейчас, когда SQCRAMscope полностью функционирует», – сказал Лев. «Они либо демонстрируют топологически защищенный электронный транспорт, либо сильно коррелируют (то есть электроны взаимодействуют и движутся в сложном танце друг с другом, вследствие чего, по крайней мере, некоторые аспекты их физики часто остаются загадкой)».


Фан Ян и др. Сканирующий квантово-криогенный атомный микроскоп, Прикладной физический обзор (2017). DOI: 10. 1103 / PhysRevApplied.7. 034026

Article Categories:
Интересно
banner

Добавить комментарий

96