Düzensizlik, yüksek sıcaklıktaki bir süper iletkenin ayarlanmasının anahtarıdır

Cornell fizikçileri, yüksek sıcaklıktaki süperiletkenleri anlamak için yeni bir anlayış olan benzersiz demir selenid (FeSe) maddesindeki süperiletkenliği kontrol etmek için elektron sayısını değiştirmek yerine düzensizliği en aza indirmenin anahtar faktör olduğunu keşfettiler.

Bu demir bazlı süper iletkeni kontrol etmek için yeni bir teknik kullanan Kyle Shen’in laboratuvarındaki araştırmacılar, demir selenitin süper iletken “kubbesinin” (süper iletkenliğin özellikler ayarlandığında nasıl güçlendiğini ve ardından zayıfladığını izleyen eğri), kristalin içinden akan elektronların sayısından çok kristal kafesindeki kusurların neden olduğu dirençle daha yakından bağlantılı olduğunu buldular. Bulgular, demir selenitin diğer yüksek sıcaklıktaki (veya alışılmadık) süper iletkenlerden temel olarak farklı olabileceğini öne sürüyor.

Sanat ve Bilim Koleji’nde (A&S) eski bir Klarman Doktora Sonrası Araştırmacısı olan doktora sonrası araştırmacı Paul Malinowski, “Bu malzemede kubbenin normalde gördüğünüzden çok farklı faktörler tarafından yönlendirildiğini bulduk” dedi. “Bu, ne kadar elektron eklediğinizle değil, elektronların çarptığı engellerle yönlendiriliyor; kristal kafes ne kadar mükemmel veya kusurlu?”

“Elektron katkılı FeSe’nin süper iletken kubbesini ne kontrol eder?” ‘de yayınlandı Ulusal Bilimler Akademisi Bildirileri 20 Ağustos’ta, Malinowski ilk yazar olarak.

James A. Weeks Fizik Bilimleri Profesörü ve Stephen H. Weiss Başkanlık Üyesi (A&S) ve Atomik ve Katı Hal Fiziği Laboratuvarı yöneticisi ve çalışmanın ilgili yazarı Shen, “Bu, yüksek sıcaklıkta süperiletkenliğe dair birçok fikir verebilecek önemli bir yeni sonuç” dedi. “Önemli olan, Paul’ün başardığı şekilde dopingi tam olarak kontrol edebilme yeteneğidir.”

Daha temiz bir doping yöntemi

Shen, araştırmacıların yıllardır demir selenit kubbesini anlamaya çalıştıklarını ve başarısız olduklarını, çünkü malzemenin kimyasının geleneksel doping yöntemlerine direndiğini, dolayısıyla Malinowski ve meslektaşlarının onu incelemek için yeni bir yol icat etmek zorunda kaldıklarını söyledi.

Malinowski, maddi bir sisteme elektron eklemenin standart yolunun, içinde daha fazla elektron bulunan yeni bir bileşik yetiştirmek olduğunu söyledi. “Fakat bu, elektron sayısını her değiştirmek istediğinizde tamamen yeni bir malzeme yetiştirmeniz gerektiği anlamına geliyor. Bu sadece çok fazla iş yapmakla kalmıyor, aynı zamanda her seferinde malzemeyi de değiştiriyorsunuz, böylece bilmediğiniz ve kontrol edemediğiniz başka şeyler de değişiyor olabilir.”

Yeni yaklaşımlarında Malinowski ve meslektaşları, moleküler ışın epitaksisi (MBE) adı verilen bir teknik kullanarak örnekleri sentezlediler ve alkali yüzey biriktirme adı verilen bir işlemle malzemenin yüzeyine püskürterek elektronlar eklediler. Malzeme özellikleri daha sonra yerinde elektriksel aktarım ve açı çözümlemeli fotoemisyon spektroskopisinin (ARPES) bir kombinasyonu kullanılarak araştırıldı. Bu, alkali metal sezyum kullanılarak ultra yüksek vakumda yapıldı.

MBE ve alkali biriktirme, her ikisi de başka yerlerde kullanılan tekniklerdir, ancak Malinowski, ince filmlerin sentezlenmesinde uzmanlığa sahip olan Shen laboratuvarının, sentezi elektriksel ve spektroskopik problarla birleştirmek için benzersiz bir şekilde konumlandırıldığını söyledi, dedi Malinowski, numuneyi çıkarmadan veya yeniden büyütmeden.

“Buradaki yeni şey, hepsini aynı anda, çok kapsamlı bir şekilde yapabilmemizdir” dedi. “Neler olup bittiğini anlamak için bunun gerekli olduğu ortaya çıktı.”

Düzensizlik olağan modeli alt üst ediyor

Bu yeni yaklaşımdan elde edilen veriler, fiziksel bozukluğun kubbeyi kontrol ettiğini gösterdi. Düzensizlik, bir kristal malzemenin katı atom düzeninden elektron akışını bozan herhangi bir sayıdaki sapmayı ifade eder; araştırmacılar, burada burada yerinde olmayan bir atom veya desende bir kırılma gibi. Kusursuz bir kristalde bu kusurlar mevcut değildir ancak pratikte her zaman oradadırlar. Ayrıca Shen, elektron eklemenin kaçınılmaz olarak düzensizliğe yol açtığını söyledi.

Malinowski, demir selenit durumunda, süperiletken kubbenin kontrolündeki düzensizliğin öne çıkmasının şaşırtıcı olduğunu, çünkü bu durumun malzemeyi diğerlerinden öne çıkardığını söyledi. Ayrıca bu bileşikteki süperiletkenliğin mikroskobik mekanizması hakkında da bir şeyler ortaya koyuyor ve süperiletkenliğin nasıl geliştiğine dair teorik açıklamalara bilgi sağlayabilir.

Shen, kupratlar gibi diğer yüksek sıcaklık süperiletken ailelerinde, elektron sayısının faz diyagramı ve kubbe için birincil etken olduğuna inanıldığını söyledi.

“Bozukluk var ama genellikle ikincil veya üçüncül bir oyuncunun küçük bir rol oynadığına inanılıyor” dedi. “Bu malzemede durum tersine dönmüş gibi görünüyor. Malzemeye katkı yaptığımızı biliyoruz, ancak bozukluk baskın faktör gibi görünüyor ve doping ikincil bir oyuncu. Bu mantığa aykırıydı ve bununla başa çıkmamız ve sonuçlarımıza inanmamız biraz zaman aldı çünkü diğer alışılmadık süperiletkenlere çok aykırıydı.”

Shen, demir selenitin neden bu şekilde davrandığına dair daha büyük resmi anlamak için teorisyenlerle yapılacak daha çok iş olduğunu söyledi. Grubunda yalnızca bozukluğun değişmesine odaklanmak için başka deneyler de yapılıyor.