Сверхпроводимость проявляется в материале, который ранее считался исключительно магнитным.

Сверхпроводимость — способность материала проводить электричество без потерь энергии в виде тепла — позволяет создавать высокоэффективную, сверхбыструю электронику, необходимую для передовых технологий, таких как аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ), ускорители частиц и, потенциально, квантовые компьютеры. Новое исследование показало, что теллурид железа (FeTe), соединение, состоящее из химических элементов железа и теллура и долгое время считавшееся обычным магнитным металлом, на самом деле является сверхпроводником. Исследователи обнаружили, что скрытые избыточные атомы железа индуцируют магнетизм материала, а удаление этих атомов позволяет электрическому току протекать с нулевым сопротивлением.

Сегодня (1 апреля) в журнале Nature были опубликованы две статьи, описывающие исследование, оба под руководством профессора физики Пенсильванского университета Цуй-Цзу Чанга. Первая статья посвящена тому, как «включить» сверхпроводимость в FeTe, а вторая раскрывает новый вид «квантового танца», при котором сверхпроводимость взаимодействует с атомной структурой материала при добавлении другого верхнего слоя, что позволяет исследователям регулировать ее поведение.
«В отличие от хорошо известного сверхпроводника на основе железа — селенида железа (FeSe), — FeTe долгое время считался магнитным металлом без сверхпроводимости, несмотря на практически идентичную кристаллическую структуру», — сказал Чанг. «Оставалось загадкой, почему FeTe не обладает этим важным свойством».

Этот метод позволяет создавать атомарно тонкие, исключительно чистые образцы путем совместного испарения исходных материалов на соответствующие подложки. Однако, когда исследователи внимательно изучили созданные ими образцы FeTe на атомном уровне с помощью специализированного микроскопа, называемого сканирующей туннельной микроскопией, они обнаружили, что материал не является идеально совершенным. В кристаллическую решетку FeTe были внедрены дополнительные атомы железа.

«Эти избыточные атомы железа нарушают идеальное соотношение атомов железа и теллура в FeTe, равное одному к одному, и нарушают баланс магнетизма и сверхпроводимости», — сказал Чанг, объясняя, что исследователи предположили, что удаление избыточных атомов для получения действительно чистого FeTe может привести к созданию сверхпроводника.

Команда разработала метод точного контроля чистоты FeTe путем воздействия на пленки FeTe средой с парами теллура. Это компенсировало избыток атомов железа и приблизило материал к идеальному состоянию.

«Полученный идеальный FeTe демонстрирует сверхпроводимость с критической температурой около 13,5 Кельвинов, или примерно -435°F», — сказал Чанг. «Избыток атомов железа замаскировал его сверхпроводимость, что привело к существовавшему десятилетиями мнению о том, что FeTe — это обычный магнитный металл. Наши результаты переопределяют фазовую диаграмму этого класса железосодержащих соединений».

«Подобные явления, вероятно, присутствуют и в других коррелированных материалах, где скрытые сверхпроводящие состояния или конкурирующие магнитные порядки остаются незамеченными до тех пор, пока не будет устранен или тщательно контролирован беспорядок. Понимание решающей роли беспорядка поможет нам обнаружить и стабилизировать такие скрытые сверхпроводящие состояния в других материалах».

Создание сверхпроводимости с помощью муаровых узоров

Во второй статье, установив, что FeTe по своей природе является сверхпроводником, команда продолжила исследование того, как можно управлять его сверхпроводящим состоянием. Они создали слоистые структуры, выращивая тонкий материал с другой кристаллической решеткой поверх FeTe. Поскольку два материала имеют различное расположение атомов, на их границе раздела образуется более крупный повторяющийся узор, называемый муаровой сверхрешеткой.

«Несоответствие кристаллических структур на границе раздела создает то, что мы называем муаровой сверхрешеткой, которая изменяет сверхпроводящие свойства FeTe», — сказал Чанг. «В последние годы муаровые сверхрешетки в двумерных материалах стали важной платформой для открытия новых квантовых состояний».

Используя сканирующую туннельную микроскопию, позволяющую получать изображения материалов на атомном уровне, команда непосредственно наблюдала, что сверхпроводимость образует повторяющийся, каплевидный узор — то, что исследователи описывают как «квантовый танец» — который следует за муаровой сверхрешеткой. Они также обнаружили, что этот узор можно регулировать, изменяя материал в верхнем слое.

«Роль кристаллических решеток в сверхпроводниках часто игнорировалась», — сказал Чанг. «Наши результаты побуждают к возобновлению внимания к взаимодействию между сверхпроводимостью и структурой решетки и подчеркивают, как инженерия муаровых интерфейсов может служить потенциально мощным инструментом для регулирования сверхпроводимости и проектирования квантовых материалов следующего поколения».

Образец тонкой пленки соединения теллурида железа (FeTe) — темная область на прозрачной подложке в центре изображения — созданной с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. Долгое время считавшийся обычным магнитным металлом, FeTe, как показали исследователи, при воздействии паров теллура на тонкую пленку устраняет нарушения структуры, вызванные избытком атомов железа, захваченных кристаллической структурой материала, что свидетельствует о сверхпроводимости FeTe.
Источник: Лаборатория Чанга / Университет штата Пенсильвания.