Οι ερευνητές προσδιόρισαν τον «διακόπτη» που ενεργοποιεί την υπεραγωγιμότητα στο τελλουρίδιο του σιδήρου (FeTe) και παρατήρησαν έναν κβαντικό χορό της υπεραγωγιμότητας. Η εικόνα στα αριστερά δείχνει μια μέθοδο για τον ακριβή έλεγχο της καθαρότητας του FeTe μέσω της έκθεσης λεπτών υμενίων του υλικού —που δημιουργήθηκαν με επιταξία μοριακής δέσμης— σε περιβάλλον με ατμούς τελλουρίου. Η μεσαία εικόνα δείχνει την ιδανική αναλογία ένα προς ένα μεταξύ των ατόμων σιδήρου και τελλουρίου στο FeTe, η οποία ξεκλείδωσε την υπεραγωγιμότητά του. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει τον κβαντικό χορό, ένα μοτίβο υπεραγωγιμότητας που μοιάζει με σταγονίδια, το οποίο παρατήρησαν οι ερευνητές δημιουργώντας στρωματοποιημένες δομές από FeTe και ένα λεπτό υλικό με διαφορετική κρυσταλλική δομή. Πηγή: Chang Laboratory/Penn State
Επιστήμονες ανακάλυψαν κρυφή υπεραγωγιμότητα σε υλικό που θεωρούνταν αποκλειστικά μαγνητικό
Η αφαίρεση της περίσσειας σιδήρου αποκαλύπτει ότι το FeTe (τελλουρίδιο του σιδήρου) είναι υπεραγωγός, ενώ οι ιδιότητές του μπορούν να τροποποιηθούν με τη χρήση στρωματοποιημένων δομών και φαινομένων moiré.
Ένα υλικό που για καιρό είχε παραλειφθεί ως ένα συνηθισμένο μαγνητικό μέταλλο, αποκαλύφθηκε ότι φιλοξενεί κρυφά την υπεραγωγιμότητα, μόλις αφαιρεθούν οι ανεπαίσθητες ατομικές ατέλειες. Φωτογραφία: Pexels
Η υπεραγωγιμότητα είναι η ικανότητα ενός υλικού να άγει τον ηλεκτρισμό χωρίς απώλεια ενέργειας υπό μορφή θερμότητας.
Αυτή η ιδιότητα υποστηρίζει εξαιρετικά αποδοτικά, υπερταχέα ηλεκτρονικά συστήματα που χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες όπως η μαγνητική τομογραφία (MRI), οι επιταχυντές σωματιδίων και, δυνητικά, οι κβαντικοί υπολογιστές.
Μια νέα μελέτη δείχνει ότι το τελλουρίδιο του σιδήρου (FeTe), μια χημική ένωση από σίδηρο και τελλούριο που για καιρό θεωρούνταν ένα απλό μαγνητικό μέταλλο, είναι στην πραγματικότητα υπεραγωγός.
Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι κρυμμένα πλεονάζοντα άτομα σιδήρου δημιουργούν τον μαγνητισμό του υλικού. Όταν αυτά τα επιπλέον άτομα αφαιρεθούν, ο ηλεκτρισμός μπορεί να κινηθεί μέσα από το υλικό με μηδενική αντίσταση.
Ένα δείγμα λεπτού υμενίου της χημικής ένωσης τελλουριδίου του σιδήρου (FeTe) —η σκοτεινή περιοχή στο διαφανές υπόστρωμα στο κέντρο της εικόνας— που δημιουργήθηκε με τη χρήση επιταξίας μοριακής δέσμης. Ενώ θεωρούνταν για καιρό ένα συνηθισμένο μαγνητικό μέταλλο, οι ερευνητές έδειξαν τώρα ότι η έκθεση του λεπτού υμενίου FeTe σε ατμούς τελλουρίου απομακρύνει τη διαταραχή που δημιουργείται από τα πλεονάζοντα άτομα σιδήρου που παγιδεύονται στην κρυσταλλική δομή του υλικού, αποκαλύπτοντας ότι το FeTe είναι υπεραγωγός. Πηγή: Chang Laboratory/Penn State
Τα ευρήματα περιγράφονται λεπτομερώς σε δύο εργασίες που δημοσιεύθηκαν διαδοχικά στο περιοδικό Nature, αμφότερες με επικεφαλής τον φυσικό του Penn State, Cui-Zu Chang.
Η πρώτη εργασία εξηγεί πώς να ενεργοποιηθεί η υπεραγωγιμότητα στο FeTe. Η δεύτερη περιγράφει έναν νέο τύπο «κβαντικού χορού», στον οποίο η υπεραγωγιμότητα αλληλεπιδρά με την ατομική δομή του υλικού όταν προστίθεται ένα διαφορετικό ανώτερο στρώμα, επιτρέποντας στους επιστήμονες να προσαρμόζουν τις ιδιότητές του.
«Σε αντίθεση με τον πασίγνωστο υπεραγωγό με βάση τον σίδηρο, το σεληνιούχο σίδηρο (FeSe), το FeTe θεωρούνταν για καιρό ένα μαγνητικό μέταλλο χωρίς υπεραγωγιμότητα, παρά το γεγονός ότι έχει σχεδόν πανομοιότυπη κρυσταλλική δομή», δήλωσε ο Chang. «Παρέμενε μυστήριο το γιατί το FeTe δεν μοιράζεται αυτή τη σημαντική ιδιότητα».
Για να διερευνήσει αυτή τη διαφορά, η ομάδα δημιούργησε λεπτά υμένια FeTe χρησιμοποιώντας επιταξία μοριακής δέσμης. Αυτή η μέθοδος παράγει εξαιρετικά καθαρά υλικά με ατομικό πάχος, εναποθέτοντας αργά τα στοιχεία της πηγής πάνω σε μια κατάλληλη επιφάνεια.
Όταν οι ερευνητές εξέτασαν τα δείγματα σε ατομικό επίπεδο χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, διαπίστωσαν ότι η δομή δεν ήταν απόλυτα ομοιόμορφη. Επιπλέον άτομα σιδήρου ήταν ενσωματωμένα μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα του FeTe.
Τα πλεονάζοντα άτομα σιδήρου διαταράσσουν την υπεραγωγιμότητα
«Αυτά τα πλεονάζοντα άτομα σιδήρου διαταράσσουν την ιδανική αναλογία ένα προς ένα μεταξύ των ατόμων σιδήρου και τελλουρίου στο FeTe και ανατρέπουν την ισορροπία μεταξύ μαγνητισμού και υπεραγωγιμότητας», δήλωσε ο Chang, εξηγώντας ότι οι ερευνητές υπέθεσαν πως η αφαίρεση των επιπλέον ατόμων για τη δημιουργία πραγματικά καθαρού FeTe θα μπορούσε να οδηγήσει σε έναν υπεραγωγό.
Για να ελέγξουν αυτή την ιδέα, οι ερευνητές ανέπτυξαν έναν τρόπο να ελέγχουν την καθαρότητα του υλικού εκθέτοντας τα υμένια FeTe σε ατμούς τελλουρίου. Αυτή η διαδικασία αντισταθμίζει τον πλεονάζοντα σίδηρο και ωθεί το υλικό προς την ιδανική του σύσταση.
«Το ιδανικό FeTe που προκύπτει εμφανίζει υπεραγωγιμότητα με κρίσιμη θερμοκρασία γύρω στους 13,5 Κέλβιν, ή περίπου μείον 435 βαθμούς Φαρενάιτ», δήλωσε ο Chang.
«Τα πλεονάζοντα άτομα σιδήρου είχαν συγκαλύψει την υπεραγωγιμότητά του, οδηγώντας στην παλιά άποψη δεκαετιών ότι το FeTe ήταν ένα συνηθισμένο μαγνητικό μέταλλο. Τα ευρήματά μας επαναπροσδιορίζουν το διάγραμμα φάσεων αυτής της κατηγορίας ενώσεων που περιέχουν σίδηρο. Παρόμοια φαινόμενα είναι πιθανό να υπάρχουν και σε άλλα συσχετισμένα υλικά, όπου κρυφές υπεραγώγιμες καταστάσεις ή ανταγωνιστικές μαγνητικές τάξεις παραμένουν συσκοτισμένες μέχρι να αφαιρεθεί ή να ελεγχθεί προσεκτικά η αταξία. Η κατανόηση του κρίσιμου ρόλου της αταξίας θα μας βοηθήσει να αποκαλύψουμε και να σταθεροποιήσουμε τέτοιες κρυφές υπεραγώγιμες καταστάσεις σε άλλα υλικά».
Στη δεύτερη μελέτη, αφού επιβεβαίωσαν ότι το FeTe είναι εγγενώς υπεραγωγός, οι ερευνητές διερεύνησαν πώς θα μπορούσε να ελεγχθεί η υπεραγώγιμη συμπεριφορά του.
Κατασκεύασαν στρωματοποιημένες δομές τοποθετώντας ένα λεπτό υλικό με διαφορετικό κρυσταλλικό πλέγμα πάνω από το FeTe. Επειδή τα δύο υλικά έχουν διαφορετικές ατομικές διατάξεις, σχηματίζουν ένα μεγαλύτερο επαναλαμβανόμενο μοτίβο στο όριό τους, γνωστό ως υπερπλέγμα moiré.
«Η αναντιστοιχία μεταξύ των κρυσταλλικών δομών στη διεπαφή δημιουργεί αυτό που ονομάζουμε υπερπλέγμα moiré, το οποίο τροποποιεί τις υπεραγώγιμες ιδιότητες του FeTe», δήλωσε ο Chang. «Τα τελευταία χρόνια, τα υπερπλέγματα moiré σε δισδιάστατα υλικά έχουν αναδειχθεί σε μια σημαντική πλατφόρμα για την ανακάλυψη νέων κβαντικών καταστάσεων».
Χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, το οποίο επιτρέπει την απεικόνιση σε ατομική κλίμακα, η ομάδα παρατήρησε ότι η υπεραγωγιμότητα εμφανίζεται ως ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο που μοιάζει με σταγονίδια και ακολουθεί το υπερπλέγμα moiré, το οποίο οι ερευνητές περιέγραψαν ως «κβαντικό χορό».
Διαπίστωσαν επίσης ότι αυτό το μοτίβο μπορεί να ρυθμιστεί αλλάζοντας το υλικό που χρησιμοποιείται στο ανώτερο στρώμα. «Ο ρόλος των κρυσταλλικών πλεγμάτων έχει συχνά παραβλεφθεί στους υπεραγωγούς», δήλωσε ο Chang.
«Τα ευρήματά μας ενθαρρύνουν μια ανανεωμένη εστίαση στην αλληλεπίδραση μεταξύ υπεραγωγιμότητας και πλεγματικής δομής και υπογραμμίζουν πώς η μηχανική διεπαφής moiré μπορεί να λειτουργήσει ως ένα δυνητικά ισχυρό εργαλείο για τη ρύθμιση της υπεραγωγιμότητας και τον σχεδιασμό κβαντικών υλικών επόμενης γενιάς».