La activación de líquido iónico revela la relación entre la superconductividad y el estado de metal extraño en FeSe

En un estudio reciente, los investigadores dirigidos por Chen Qihong y Jin Kui del Instituto de Física (IOP) de la Academia de Ciencias de China (CAS) utilizaron una técnica de activación de líquido iónico para ajustar la temperatura de transición (T_C) de FeSe, el superconductor a base de hierro estructuralmente más simple, y encontró una relación cuantitativa universal entre la superconductividad y el estado de metal extraño, lo que da una idea del mecanismo responsable de la superconductividad a alta temperatura. El estudio fue publicado en Física de la naturaleza.

En los superconductores, los electrones forman pares y viajan sin disiparse. Aunque el mecanismo de emparejamiento de los superconductores convencionales está bien descrito por la teoría de Bardeen-Cooper-Schrieffer, la forma en que los electrones se emparejan en los superconductores de alta temperatura sigue siendo un misterio.

Se cree que las pistas se encuentran en el comportamiento del «metal extraño» del estado normal, es decir, el estado a temperaturas superiores a la T superconductora._C. Los ejemplos de dicho comportamiento incluyen la resistividad lineal en temperatura (T-lineal), que es diferente a la relación cuadrática de temperatura-resistividad de los líquidos Fermi convencionales.

El grupo de Jin Kui ha desarrollado una técnica avanzada de fabricación de películas compuestas y extendidas (combinatorias) y, posteriormente, descubrió una relación cuantitativa entre T_C y un₁ (el coeficiente de resistividad T-lineal) en un cuprato dopado con electrones, a saber, T_C ∝ (A₁)^0.5.

«Una pregunta clave es si el exponente de escala en esta ecuación es o no el mismo para otros altos T_C superconductores «, dijo Jin. «Es difícil acumular suficientes puntos de datos confiables para determinar de manera concluyente este índice de ley de potencia porque los datos obtenidos por métodos convencionales son generalmente escasos y tienen una gran variabilidad».

En su nuevo estudio, ajustaron continuamente la superconductividad de FeSe mediante activación iónica-líquida, que realizó el dopaje de electrones a través de la inyección de iones de hidrógeno. Para monitorear el proceso de dopaje, los investigadores diseñaron un dispositivo de medición de inductancia mutua de dos bobinas integrado con activación iónica-líquida. Usando este dispositivo, lograron un ajuste a granel uniforme de FeSe, con T_C variando desde 8 K hasta más de 45 K.

Mediante el uso de imanes de alto campo, obtuvieron firmas claras del estado de metal extraño en FeSe, a saber, resistividad T-lineal y lineal en campo (H-lineal), y una escala H/T de magnetorresistencia. Posteriormente, mapearon la relación entre la superconductividad y el estado del metal extraño en un amplio rango de dopaje. Con un₁ y T_C extraído de cada nivel de dopaje, una relación cuadrática entre A₁ y T_C surgió de los datos sistemáticos, que indicaron que el índice de ley de potencia es 0,5 para FeSe.

La combinación de este resultado con la relación previamente reportada en los superconductores de cuprato lleva a la conclusión de que esta dependencia cuadrática es universal y robusta. Este descubrimiento proporciona una fuerte evidencia de una imagen unificada de la interacción entre la extraña metalicidad y la superconductividad no convencional.

Un mecanismo para altaT_C La superconductividad que se ha discutido con frecuencia es la formación de pares de electrones a través de interacciones con fluctuaciones de espín. Se cree que la superconductividad en la sal de Bechgaard y los cupratos dopados con electrones está relacionada con las fluctuaciones de espín antiferromagnético.

Teniendo en cuenta el comportamiento altamente universal observado en estos sistemas (la resistividad T-lineal y H-lineal y la interacción entre el estado del metal extraño y la superconductividad), es muy probable que el mismo mecanismo, o uno similar, también funcione en el hierro. superconductores basados Por lo tanto, las fluctuaciones de espín pueden tener un papel común en los superconductores no convencionales.

«Este estudio es emocionante porque el descubrimiento de una relación cuantitativa entre el metal extraño y la superconductividad indica que el mecanismo puede ser aplicable a otros superconductores, como los cupratos», dijo David Abergel, editor jefe de Física de la naturaleza.