Ученые из Китая получили важное свидетельство происхождения сверхпроводимости в монослоях селенида железа (FeSe), материала, который в ультратонком виде демонстрирует удивительно высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние. Анализ показал, что эффект связан не просто с электронными парами, как в классической теории сверхпроводников, а с заметной двойственностью (дихотомией) атомных подрешеток, образующих кристаллическую структуру материала.
Работа, опубликованная в журнале Physical Review Letters, проливает свет на давно обсуждаемую проблему — каким образом сверхпроводимость может появляться в двухмерных системах и почему она в этих условиях бывает особенно сильной.
Сверхпроводники на основе железа
При охлаждении ниже критической температуры сверхпроводник пропускает электрический ток практически без сопротивления. Хотя у большинства известных на сегодняшний день сверхпроводников критическая температура близка к абсолютному нулю, в последние десятилетия открываются все более совершенные материалы, в которых этот эффект проявляется при гораздо более высоких температурах, что значительно упрощает их практическое применение.
В 2012 году сверхпроводимость была обнаружена в слое селенида железа (FeSe) толщиной в одну элементарную ячейку, состоящем из трех слоев Se–Fe–Se толщиной всего 0,55 нм. Однако оставалось неясным, как в такой ультратонкой системе может возникать столь сильный сверхпроводящий эффект.
В пределах одной элементарной ячейки атомной решетки материала атомы железа образуют повторяющийся узор, который можно описать как две переплетенные «подрешетки». Это следствие симметрии решетки и отсутствия простого центра инверсии в узлах решетки Fe.
Затем, в 2013 году, Цзянпин Ху из Китайской академии наук — один из авторов этого исследования — предложил новую теоретическую концепцию, согласно которой сверхпроводящий параметр порядка в трехслойном FeSe может возникать из-за необычной структуры атомной решетки материала.
Дихотомия подрешеток и электронные па́ры
Структура FeSe представляет собой атомарную решетку, в которой атомы железа располагаются в двух переплетенных подрешетках. Эта особенность приводит к тому, что электроны на одной подрешетке ведут себя иначе, чем на другой. При изучении спектров электронных состояний с помощью туннельной микроскопии (STM/STS) исследователи обнаружили, что различные подрешетки демонстрируют разные энергетические распределения электронов — например, доминирование «дырочных» или «электронных» состояний.
Моделирование показало, что такая дихотомия возникает из-за сочетания внутреннего образования пар и внешних взаимодействий, причем вторые становятся возможными из-за нарушения симметрии инверсии между FeSe и подложкой SrTiO₃. Это приводит к тому, что не только традиционные парные состояния, но и дополнительные наружные каналы способствуют появлению сверхпроводимости.
Почему это важно?
Понимание механизмов сверхпроводимости — ключевая задача прикладной физики, особенно в стремлении найти материалы, работающие не только при запредельно низких температурах. Поведение 2D-сверхпроводников, таких как монослой FeSe, может существенно отличаться от трехмерных аналогов, и наблюдаемая дихотомия подрешеток — важный ключ к объяснению этих отличий.
Мы наблюдали четко различимые спектры туннелирования на разных подрешетках: на одной подрешетке дыроподобный пик выражен сильнее, чем электронноподобный, а на другой подрешетке ситуация обратная, при этом разница в интенсивности сопоставима по величине. Более того, контраст интенсивности между пиками когерентности с двумя запрещенными зонами был обратным. Мы назвали это явление «дихотомией подрешеток». При температуре выше критической эта дихотомия исчезает.
О том, как «карманная» сверхпроводящая катушка создала рекордное магнитное поле, читайте в статье Hi-Tech Mail.
