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莱斯大学新闻

电子地图揭示了超导‘的行车规则

波段结构图暴露了月球铁6037的神秘电子签名

使用一个聪明的技术,导致难以控制的晶体的铁硒化快速对齐,赖斯大学的物理学家们画一个详细的地图,揭示了“rules road”的电子在正常条件下和在关键时刻就在转换成超导材料。

在本周美国物理学会杂志《物理评论X》(PRX)的在线研究中,物理学家Ming Yi和他的同事提供了一份硒化铁的能带结构图,这种材料由于其结构简单和行为复杂而长期困扰着物理学家。这张图详细描述了材料的电子状态,是对测量到超导点的硒化铁单晶的数据的可视化总结。

Rice University physicists (from left) Ming Yi, Qimiao Si, Tong Chen and Han Wu

使用技术来临时不守规矩的晶体的铁硒化进对齐,莱斯大学物理学家明(左)咦,Qimiao Si,汉通Chen吴和他的同事们得出一个电子的量子力学“rules路线图,揭示road”神秘超导体中电子必须遵循。(照片由Tommy LaVergne/Rice大学提供)

加州大学伯克利分校做博士后研究期间,易开始了这项研究的角分辨光电发射光谱实验。这项具有技术挑战性的实验使用了来自斯坦福同步辐射光源(SSRL)的强大同步加速器光来诱导晶体发射电子。

她说:从某种意义上说,这些测量就像拍电子飞出材料的照片。“每张照片都显示了电子在被光子逐出材料之前的生活状态。通过分析所有的照片,我们可以拼凑出解释他们所有故事的基本物理原理

红色灯的电子摄像机

电子探测器跟踪电子从晶体中发射时的速度和方向。这些信息包含了量子力学定律的重要线索,这些量子力学定律在更大的微观尺度上决定了交通模式,而人们认为超导性的关键方面就出现在微观尺度上。

易说,这些规则被编码在材料’s的电子结构中。

她说:“我们就像一种材料的电子指纹。“每一种材料都有自己独特的指纹,可以根据量子力学描述电子所能占据的能量状态。例如,电子结构帮助我们决定什么东西是良导体,什么东西是绝缘体,什么东西是超导体

当事情偏离轨道时

电阻是导致电线、智能手机和电脑在使用过程中发热的原因,每年因电网断电和数据中心的冷却费用而损失数十亿美元。超导性,即零电阻电流,可以消除这种浪费,但物理学家一直在努力理解和解释像硒化铁这样的非传统超导体的行为。

band structure map illustrates nematicity in iron selenide

这个硒化铁单晶的带结构图类似于描述电子在材料冷却和晶格改变形状时交通规则如何变化的路线图,在一个方向上变长。相同的数据在顶部和底部面板中表示。蓝色区域(顶部)显示了电子在接近超导点处被冷却的硒化铁中穿过能量场时的运动轨迹。中心左边的路径与中心右边的路径成直角。由于向列性,电子在两个方向上的允许路径是不同的。彩色线条(底部)显示了电子在不同轨道中的路径。硒化铁的超导性与“对称破坏的”状态有关,绘制这种状态的电子结构可以提高对这种现象的理论理解。(图片由李敏/莱斯大学提供)

2008年,当第一个铁基超导体被发现时,易还在研究生院,而she’的职业生涯都在研究它们。在这些元素中,一个原子厚的铁层被夹在其他元素之间。在室温下,铁层中的原子排列成棋盘格。但当材料在超导点附近冷却时,铁原子会移动,正方形就变成长方形。这一变化带来了方向依赖行为,或称向列性,它被认为在超导中起着重要但尚未确定的作用。

易说,“硒化铁是特殊的,因为在所有其他铁基材料中,向列性与磁性顺序一起出现。“如果你有两个订单在一起形成,很难判断哪个更重要,以及每个订单如何影响超导性。在亚硒化铁中,只有向列相作用,所以它给了我们一个独特的机会来研究向列相作用本身是如何促进超导性的

在压力下执行

nematicity的结果是,电子
2的交通模式和导致
2模式的量子规则可能与电子从右向左沿着矩形长轴流动与电子沿着短轴上下流动有很大的不同。但是要想清楚地观察硒化铁的交通模式是很有挑战性的,因为它是孪生的,这是一种晶体的特性,它能使长方形随机地改变90度的方向。孪生意味着长轴矩形一半的时间是从左到右运行,另一半时间是上下移动。

在硒化铁中孪生使得在材料中获得向列相序的清晰的全样本测量成为不可能,直到水稻物理学家戴鹏程和陈彤在5月份发表了一个聪明的解决方案。基于戴和同事在2014年开发的一项脱晶技术,陈发现他可以将易碎的硒化铁晶体粘在更坚固的砷化钡层上,然后转动螺丝施加一点压力。这项技术使得硒化铁中的所有向列相层都对齐。

戴和陈是这篇PRX论文的合著者,易说,脱孪生技术是获得关于硒对铁6037s电子行为影响的清晰数据的关键。

易建联说,如果没有彭城和佟鹏开发的孪生技术,这项研究是不可能完成的。当材料系统准备好进入超导状态时,它让我们得以一窥电子态的排列。当向列相规则必须遵守时,我们能够对属于不同轨道的电子的可用性做出精确的说明,这些电子可以参与超导

一条向前走的道路

易说,这些数据表明,硒化铁的向列相位移的大小与更复杂的铁基超导体的向列相位移的大小相当,后者也具有磁性。她说,这表明在硒化铁中观察到的’可能是所有铁基超导体的普遍特征,而不管是否存在长程磁性。她希望她的数据能让理论家们探索这种可能性和其他可能性。

她说,这组测量数据将为旨在描述铁基超导体向列相超导态的理论模型提供精确的指导。这很重要,因为向列相性在所有这些材料中起着带来超导性的作用

其他合著者包括韩武和司启淼,两人都是莱斯;劳伦斯伯克利国家实验室的Heike Pfau;北京大学的张燕和叶子荣;Yu He, Dung-Hai Lee和Robert Birgeneau,都来自加州大学伯克利分校;桥本诚和陆东辉,都是SSRL的成员;斯坦福大学沈智勋;和人民大学的容宇。

RCQM利用全球伙伴关系和20多个水稻研究小组的力量来解决与量子材料有关的问题。RCQM是由莱斯’s办公室的教务长和副教务长的研究,威斯学院的自然科学,布朗学院的工程,小卷曲研究所和物理系和天文学,电子和计算机工程,材料科学和纳米工程。

该研究得到了能源部、罗伯特·a·韦尔奇基金会、阿尔弗雷德·p·斯隆基金会、中国国家科学基金会、中国科技部、德国科学基金会和米勒科学基础研究所的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.rice.edu/2019/12/06/electronic-map-reveals-rules-of-the-road-in-superconductor-2/