스핀은 철 기반 초전도체에서 전자를 정렬 상태로 유지합니다.

스핀은 철 기반 초전도체에서 전자를 정렬 상태로 유지합니다. 날짜: 2022년 5월 19일 원천: 폴 셰러 연구소 요약: 고온 초전도의 중요한 요소로 여겨지는 전자 네마틱(Electronic nematicity)은 철 기반 초전도체 FeSe에서 주로 스핀 구동된다는 새로운 연구 결과가 나왔다. PSI의 Spectroscopy of Quantum Materials 그룹의 연구원들은 Beijing Normal University의 과학자들과 함께 철 기반 초전도체 연구의 최전선에서 퍼즐을 풀었습니다. FeSe의 전자적 nematicity의 기원입니다. 그들은 스위스 광원(SLS)에서 공진 비탄성 X선 산란(RIXS)을 사용하여 놀랍게도 이 전자 현상이 주로 스핀 구동된다는 것을 발견했습니다. 전자 네마틱은 고온 초전도의 중요한 요소로 여겨지지만, 그것이 도움이 되는지, 방해가 되는지는 아직 알려지지 않았습니다. 그들의 발견은 Nature Physics 에 발표되었습니다 . 스위스 숲이 사람들의 삶에 항상 존재하는 PSI 근처에서는 믿을 수 없을 정도로 깔끔한 통나무 더미를 종종 볼 수 있습니다. 장작을 위한 쐐기 모양의 통나무는 세로로 조심스럽게 쌓여 있지만 회전에 대해서는 거의 생각하지 않습니다. 재료의 입자가 이러한 통나무 더미의 통나무처럼 자발적으로 정렬되어 회전 대칭은 깨지지만 병진 대칭은 유지하는 경우 재료는 네마틱 상태에 있다고 합니다. 액정에서 이것은 막대 모양의 분자가 액체처럼 정렬 방향으로 흐를 수 있지만 다른 방향으로는 흐를 수 없음을 의미합니다. 전자 네마틱은 물질의 전자 궤도가 이러한 방식으로 정렬될 때 발생합니다. 일반적으로 이 전자 네마틱은 이방성 전자 특성으로 나타납니다. 예를 들어, 2008년에 발견된 이후로 지난 10년 동안 철 기반 초전도체 제품군에 엄청난 관심을 보였습니다. 잘 연구된 큐프레이트 초전도체와 함께 이 물질은 고온 초전도성의 신비한 현상을 나타냅니다. 전자 네마틱 상태는 철 기반 초전도체의 유비쿼터스 기능입니다. 그러나 지금까지 이 전자적 네마시티의 물리적 기원은 수수께끼입니다. 사실, 틀림없이 철 기반 초전도체 연구에서 가장 중요한 퍼즐 중 하나입니다. 그러나 전자 네마틱이 왜 그렇게 흥미로운가? 답은 전자가 어떻게 짝을 이루고 고온에서 초전도성을 달성하는지 이해하는 항상 흥미로운 수수께끼에 있습니다. 전자적 nematicity와 초전도성에 대한 이야기는 불가분의 관계에 있습니다. 그러나 정확히 어떻게, 그리고 실제로 경쟁할지 협력할지 여부는 뜨거운 논쟁의 대상이 됩니다. 전자적 nematicity를 이해하려는 열망으로 인해 연구자들은 특정 철 기반 초전도체인 철 셀렌화물(FeSe)에 관심을 돌렸습니다. FeSe는 모든 철 기반 초전도체 중 가장 단순한 결정 구조와 가장 당혹스러운 전자 특성을 동시에 가지고 있는 다소 수수께끼입니다. FeSe는 9K의 임계 온도(T c ) 아래에서 초전도 단계에 진입하지만 조정 가능한 T c 를 감질나게 자랑합니다., 이는 물질에 압력을 가하거나 도핑함으로써 이 온도를 올릴 수 있음을 의미합니다. 유사 2D 적층 물질은 약 90K 이하에서 나타나는 확장된 전자 네마틱 위상을 가지고 있습니다. 흥미롭게도 이 전자 네마틱은 일반적으로 함께 사용되는 장거리 자기 질서 없이 나타나 그 기원을 둘러싼 활발한 토론으로 이어집니다. : 즉, 이것이 궤도 또는 스핀 자유도에 의해 구동되는지 여부입니다. FeSe에 장거리 자기 질서가 없기 때문에 전자적 nematicity와 초전도성과의 상호 작용에 대해 더 명확하게 볼 수 있습니다. 결과적으로 많은 연구자들은 FeSe가 철 기반 초전도체 제품군 전반에 걸친 전자적 nematicity의 퍼즐을 이해하는 열쇠를 쥐고 있을 수 있다고 생각합니다. 공진 비탄성 X선 산란(RIXS)으로 스핀 여기 이방성 측정 FeSe 전자 네마틱의 기원을 결정하기 위해 PSI의 Spectroscopy of Quantum Materials Group의 과학자들은 스위스 광원(SLS)의 ADRESS 빔라인에서 공명 비탄성 X선 산란(RIXS) 기술을 사용했습니다. X선 흡수 및 방출 분광법의 원리를 결합한 이 기술은 물질의 자기 여기 또는 스핀 여기를 탐색하는 매우 효율적인 도구입니다. "PSI에는 세계에서 가장 진보된 RIXS 설정 중 하나가 있습니다. 15년 전에 이 기술을 최초로 추진한 기업 중 우리는 이제 이러한 유형의 실험을 위해 매우 잘 개발된 시설을 설립했습니다."라고 Thorsten Schmitt가 설명합니다. , 베이징 사범 대학의 Xingye Lu와 함께 연구를 주도했습니다. "특히 SLS 링 설계로 인한 싱크로트론 복사의 특성은 이러한 실험이 수행된 연 x-선 범위에 이상적입니다." RIXS를 사용하여 FeSe의 스핀 이방성을 연구하기 위해 과학자들은 먼저 실용적인 장애물을 극복해야 했습니다. 이방성 네마틱 거동을 측정하려면 먼저 샘플을 '트위닝'해야 했습니다. 쌍정은 적층된 층의 결정이 임의의 방향을 따라 동일한 확률로 정렬되어 등방성 거동에 대한 정보를 숨길 때 발생합니다. 디트위닝은 일반적인 결정학적 샘플 준비 기술로, 일반적으로 결정이 구조적 방향을 따라 정렬되도록 하는 샘플에 압력이 가해집니다. FeSe의 경우 이것은 작동하지 않습니다. FeSe에 이 압력을 가하면 부드러운 재료가 단순히 변형되거나 부서집니다. 따라서 팀은 FeSe를 디트위닝 할 수 있는 물질 인 바륨 철 비소(BaFe 2 As 2 )에 접착하는 간접 디트위닝 방법을 사용했습니다."BaFe 2 As 2 에 일축 압력을 가하면 이것은 약 0.36%의 변형률은 FeSe를 동시에 분리하기에 충분합니다."라고 이전에 Rice University의 Tong Chen 및 Pengcheng Dai와 함께 비탄성 중성자 산란을 통한 FeSe 연구를 위해 타당성을 입증한 Xingye Lu가 설명합니다. 비탄성 중성자 산란 실험은 낮은 에너지 에서 FeSe의 스핀 이방성을 드러냈습니다 . 그러나 고 에너지 스핀 여기의 측정은 이러한 스핀 변동을 전자적 nematicity와 연결하는 데 필수적이었습니다. 궤도 에너지 준위 사이의 에너지 분리보다 훨씬 높은 약 200meV의 에너지 규모에서 스핀 여기를 측정하면 전자적 nematicity의 원인으로 궤도 자유도를 배제할 수 있습니다. 디트위닝이 성공적으로 완료되면 연구원들은 RIXS를 사용하여 FeSe 및 BaFe 2 As 2 의 중요한 고에너지 스핀 여기를 조사할 수 있습니다. 연구원들은 Fe-Fe 결합 방향의 스핀 이방성을 조사했습니다. 스핀 이방성을 판단하기 위해 팀은 두 개의 직교 방향을 따라 스핀 여기를 측정하고 응답을 비교했습니다. 온도가 상승하는 상태에서 측정을 수행함으로써 팀은 네마틱 거동이 사라지는 임계 온도를 결정할 수 있었고 스핀 이방성 관찰과 저항 측정을 통해 관찰된 전자 이방성 관찰을 비교할 수 있었습니다. 연구원들은 먼저 잘 특성화된 이방성 스핀 구조와 장거리 자기 차수를 갖는 분리된 BaFe 2 As 2 를 측정하고 이를 기준으로 사용했습니다. 두 개의 직교 방향을 따른 스핀 여기 응답의 측정은 명백한 비대칭인 네마틱성의 표현을 보여주었습니다. 그런 다음 팀은 분리된 FeSe에서 동일한 실험을 수행했습니다. 자기 정렬이 없음에도 불구하고 그들은 두 축에 대해 매우 강한 스핀 이방성을 관찰했습니다. Xingye Lu는 " 이례적으로 우리는 이미 고도로 이방성인 BaFe 2 As 2 에 필적하는 스핀 이방성을 나타낼 수 있었습니다. "이 스핀 이방성은 온도가 증가함에 따라 감소하고 물질이 전자적 네마틱 상태에 있지 않게 되는 온도인 네마틱 전이 온도 부근에서 사라집니다." FeSe에서 전자 네마티즘의 기원: 철 기반 초전도체의 전자 거동에 대한 더 나은 이해 궤도 준위 사이의 분리보다 훨씬 높은 약 200meV의 스핀 여기의 에너지 규모는 FeSe의 전자적 네마틱이 주로 스핀에 의해 구동된다는 것을 보여줍니다. Thorsten Schmitt는 "이것은 큰 놀라움이었습니다."라고 설명합니다. "우리는 이제 스핀 여기에서 nematicity의 존재와 함께 이방성 저항으로 나타나는 전자 nematicity 사이의 연결을 만들 수 있습니다." 그러나 이러한 발견은 무엇을 의미합니까? 자성, 전자적 nematicity 및 초전도성 간의 상호 작용은 비전통적인 초전도체의 핵심 문제입니다. 전자적 nematicity의 양자 변동은 철 기반 초전도체에서 고온 초전도를 촉진할 수 있다고 믿어집니다. 이러한 발견은 FeSe의 전자적 nematicity 메커니즘에 대한 오랫동안 추구해 온 통찰력을 제공합니다. 그러나 더 광범위하게는 철 기반 초전도체의 전자 거동을 이해하고 궁극적으로 이것이 초전도성과 어떻게 연결되는지 이해하는 퍼즐에 중요한 부분을 추가합니다. 다음 단계는 스핀 구동 전자 네마틱 거동이 철 기반 초전도체 제품군의 다른 구성원에서 지속되는지, 나아가 Fe-Fe 결합 축 이외의 다른 방향을 따라 발생할 수 있다는 의혹이 정확한지 여부를 알아내는 것입니다.