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.
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.
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.
Το μυστήριο πίσω από την απουσία υπεραγωγιμότητας στο FeTe
«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».
Τροποποίηση της υπεραγωγιμότητας με στρωματοποιημένες δομές
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».