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铁镍钛超导体中的向列相跃迁成像

铁镍钛超导体中的向列相跃迁成像

斯坦福大学的研究人员最近对铁镍钛超导体中的向列相跃迁进行了深入研究。他们的论文发表在《自然物理》(Nature Physics)杂志上,展示了他们发明的扫描量子低温原子显微镜(SQCRAMscope)收集到的这些跃迁的新成像数据。

“几年前,我们发明了一种新型扫描探针显微镜,”领导这项研究的研究人员本杰明l勒夫(Benjamin L. Lev)告诉Phys.org。“人们可以把它想象成一个普通的光学显微镜,但透镜聚焦的不是样本载玻片,而是悬浮在样本附近的原子量子气体。”

Lev和他的同事们发明了一种新的显微镜,利用磁场将原子从“原子芯片”捕获装置中悬浮起来,直到离样本幻灯片只有一微米的距离。这些原子可以把样品发出的磁场转换成显微镜镜头收集到的光。因此,SQCRAMscope可以用来成像磁场。

“我们使用的原子是超冷的,处于量子状态:它们的温度接近绝对零度,是已知宇宙中最冷的气体之一,”Lev说。因此,它们是最好的微米级低频磁场传感器。原子可以在材料表面进行扫描,这样我们就可以记录附近磁场的二维图像。”

通过计算显微镜中原子与材料表面之间的距离,研究人员可以还原出磁场源的图像。例如,磁场源可以是四处移动的电子,也可以是材料内部的一般磁化。

利用一种名为“低温恒温器”的工具对这些源进行成像并对其进行冷却,最终可以揭示在不同相变阶段出现的新物理现象。Lev和他的同事们开发的显微镜可以作为一种全新的量子传感器,用于成像各种材料发出的磁场,这可能会带来新的有趣的发现。

“一旦我们证明SQCRAMscope是有效的,我们就开始为它寻找最佳的科学用途,”Lev解释道。“铁基(pnictide)超导体似乎是理想的候选者,因为它们在可达到的温度下,在微米尺度上表现出有趣的电子传输行为。”

铁镍钛超导体具有许多不寻常和有趣的特性。直到今天,物理学家仍然不能确定像在这些材料中观察到的那样的高临界温度(high- criticaltemperature, high-Tc)超导性是如何起作用的。铁基超导体在2008年左右首次被发现。有趣的是,研究表明它们表现出了一些与铜超导体类似的行为。

铁镍钛超导体中的向列相跃迁成像

“这些‘非传统’超导体(与低温下的铝等传统超导体不同)存在于80年代中期发现的铜材料中,这是出了名的,”Lev说。“它们的超导性背后的机制仍然是一个谜。在我们这个领域工作的研究人员希望,阐明这一机制将为各种各样的技术提供健壮的、室温的和环境压力超导体。”

curprate和铁基超导体之间的一个关键相似之处是,这两种材料都在超导性较热的一侧呈现出不同寻常的电子相。其中两个最著名的物质相是“奇怪的金属”和“电子向列相”。电子向列相是量子液晶的一个例子,类似于液晶显示器中的经典液晶。

“这些经典的晶体是向列相的,这意味着棒状分子沿着一个方向排列,破坏了材料的旋转对称性,”Lev说。换句话说,分子会选择一个首选方向。凝聚态物质的理论家在90年代开始思考电子是如何做同样的事情的。并不是说电子不是点状的(就我们目前所知),而是在临界转变温度以下,它们将决定优先流动(也就是说,它们将决定如何流动)。沿着晶体中的一个特定方向,再次打破了旋转对称;这将表现为材料电阻率的各向异性。”

尽管在铁基超导体中一直观察到电子向列相,但研究人员仍不确定它们产生的原因,以及这种独特的物质相与低温超导相的相关性。理论还没有最终确定这个相位是否妨碍,增强或在确定材料的超导相位的Tc方面作用很小。

pnictide可能是研究电子向列相的理想材料,因为其中的电子也会引起其晶格结构的自发畸变。事实上,过去的研究已经发现,当这些材料的电阻率变得各向异性时,它们的晶格会从正方形扭曲成平行四边形(即平行四边形)。,从正方晶向正交晶转变)。

这种转变有两个关键的结果。首先,得到的结构域在正交方向上具有电阻率各向异性。其次,晶格畸变使反射光的偏振发生旋转,这一事实使人们可以用光学显微镜观察这些区域。

“不幸的是,第一个结果使运输测量复杂化了,”Lev解释道。“人们不能仅仅用欧姆计来测量电阻率的各向异性,因为在翻转的结构上,信号的平均值为零。这就是我们的切入点。为了避免这个平均问题,我们使用了一个局部探测器,通过探测电子所发射的磁场来观察电子的流动方向,从而在一个域一个域地成像局部的各向异性。”

Lev和他的同事是第一个成功地将铁镍钛超导体的局部电阻率各向异性成像的人。他们成功的原因之一是他们使用的探测器可以在高温(约130k)下工作,就像这种独特的转变发生的温度。

铁镍钛超导体中的向列相跃迁成像

Lev说:“一个标准的探测器,比如扫描SQUID磁测法,不能在这样的温度下以高分辨率成像,因为设备本身会变得太热而停止高灵敏度的工作。”“相比之下,我们的探测器只是由原子组成的气体,不会从样品中吸收任何热量。此外,由于原子对大多数波长的光都是透明的,所以我们能够在进行磁测扫描的同时,将一束光照射到表面,对这些结构域进行成像。”

通过成像域结构,同时捕捉磁力测定扫描,研究人员能够识别准确的网站他们扫描在材料和确定晶格结构中观察到的铁磷族元素化物超导体的转变确实发生在与他们的电子nematicity相同的临界温度。使用这种双探头系统,Lev和他的同事们可以证实他们的观测结果,这在使用其他探测设备时从未实现过。

“我们的设备的局部成像能力使我们能够测量一个更清晰的电子向列相跃迁,并看到它在与结构跃迁相同的温度下发生,”Lev说。“一般的研究团体经常问,这些转变是否真的在相同的温度下发生,我们证明它们确实发生了,至少在微米到十微米的长度范围内是这样。”

Lev和他的同事们设计的新显微镜使用了一种玻色-爱因斯坦凝聚物,它的灵敏度不依赖于被分析样品的温度。除了它的双探针功能,显微镜还可以在从室温到低温的任何温度下以非侵入性的方式收集高度精确的测量数据。

列弗和他的同事最近进行的研究有许多重要的启示。最值得注意的是,它首次证明了研究人员的SQCRAMscope在研究物理现象方面的潜力。

利用SQCRAMscope,研究人员能够收集到pnictide铁超导体向列相跃迁的第一个局部图像。这些图像提供了关于这些转变如何以及何时发生的新的有价值的见解。在接下来的研究中,研究人员计划使用他们的量子传感器来进一步研究向列相性,以及探索其他复杂量子材料中的物理现象。

“既然SQCRAMscope已经全面投入使用,我们已经编制了一长串令人兴奋的材料来进行研究,”Lev说。它们要么表现出受拓扑结构保护的电子输运,要么具有很强的相关性(即它们之间的相互关系)。在美国,电子相互作用,以一种复杂的方式运动,其结果是,至少它们的物理学的某些方面仍然是一个谜。

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