Nouvelles découvertes sur les supraconducteurs FeSe et la dynamique des spins

FeSe est un type de supraconducteur à base de fer qui intéresse pas mal les scientifiques. Ce matériau montre des comportements fascinants quand il devient supraconducteur, ce qui veut dire qu'il peut conduire l'électricité sans résistance dans certaines conditions. Les chercheurs étudient FeSe pour plusieurs raisons, y compris comment il interagit avec le magnétisme et ses propriétés électroniques uniques.

Un des concepts clés pour comprendre FeSe, ce sont ses surfaces de Fermi. Les surfaces de Fermi représentent les états d'énergie autorisés des électrons dans l'espace des moments. Dans FeSe, ces surfaces se comportent de manière intéressante quand le S (soufre) remplace le fer. Cette substitution change les propriétés de FeSe, ce qui entraîne différents comportements supraconducteurs.

#Surfaces de Fermi de Bogoliubov

Des recherches récentes se sont concentrées sur un type spécifique de Surface de Fermi appelé surfaces de Fermi de Bogoliubov (BFS). Ces surfaces sont liées aux quasi-particules dans les supraconducteurs. Les quasi-particules sont des particules efficaces qui peuvent décrire le comportement de nombreuses particules dans un système complexe, surtout dans les supraconducteurs. Les BFS ont une signification particulière ; elles peuvent exister dans des états supraconducteurs avec des propriétés inhabituelles, surtout quand la symétrie de renversement du temps est rompue.

Les scientifiques ont proposé que les BFS peuvent apparaître dans le FeSe fortement substitué par le S quand certaines conditions sont remplies, comme une forte interaction entre électrons et en tenant compte du couplage spin-orbite. Les observations provenant de diverses mesures suggèrent que les BFS sont effectivement présentes dans ce matériau quand il est dans un état supraconducteur.

#Fluctuations de spin dans les Supraconducteurs

Quand FeSe devient supraconducteur, ses électrons commencent à former des paires et à se déplacer sans résistance. Cependant, même dans cet état, il se passe encore des activités au niveau atomique, surtout concernant les spins, qui sont des propriétés des électrons liées à leurs moments magnétiques. Les chercheurs ont observé des fluctuations de spin dans FeSe, qui sont des changements dans l'orientation des spins au fil du temps.

Dans le FeSe fortement substitué par le S, les scientifiques ont remarqué une augmentation inhabituelle des fluctuations de spin à basse énergie en profondeur dans l'état supraconducteur. Ce comportement surprenant ne peut pas simplement être attribué à des impuretés dans le matériau, ce qui laisse entrevoir une interaction plus complexe entre les composants de l'état supraconducteur et les BFS.

#Le Rôle de la Nématicité

FeSe présente un phénomène appelé nématicité, où sa structure perd sa symétrie à quatre volets. En gros, ça veut dire que les propriétés du matériau deviennent dépendantes de la direction. Ça peut influencer la façon dont la supraconductivité se comporte dans FeSe.

L'état supraconducteur dans FeSe peut exister dans une phase nématique, qui a des interactions électroniques uniques et se comporte différemment de sa phase tétragone, où la symétrie à quatre volets est rétablie. L'interaction entre ce comportement nématique et la supraconductivité est un point central de recherche dans des matériaux comme FeSe.

#Observations Expérimentales

Pour étudier ces propriétés, les chercheurs ont effectué divers expériences, y compris des mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN). Ces expériences consistent à placer le matériau dans un champ magnétique et à observer comment il réagit à très basses températures. La RMN permet aux scientifiques d'explorer l'environnement magnétique local des noyaux dans le matériau, offrant des aperçus sur la structure électronique et la dynamique des spins.

Les études ont montré comment les fluctuations de spin changent avec différents niveaux de substitution par le S dans FeSe. En général, à mesure que le contenu en S augmente, la température de transition supraconductrice change aussi, ce qui impacte les propriétés globales du matériau. La relation entre la température, les fluctuations de spin et la supraconductivité est cruciale pour comprendre comment fonctionnent les BFS.

#Résultats et Analyse

Les résultats de ces expériences indiquent un comportement complexe concernant les fluctuations de spin dans l'état supraconducteur. Par exemple, en dessous de la température de transition supraconductrice, les taux de relaxation des fluctuations de spin affichent un comportement inattendu. En général, on s'attendrait à ce que ces taux chutent significativement dans les supraconducteurs conventionnels à mesure qu'ils refroidissent. Cependant, dans FeSe avec certaines concentrations de S, les taux deviennent presque constants à basse température, suggérant qu'il se passe quelque chose d'inhabituel.

Une possible explication pourrait être liée au nesting des BFS. Le nesting fait référence à la façon dont différentes parties de la surface de Fermi peuvent se coupler entre elles, affectant les propriétés électroniques et magnétiques du matériau. Quand les BFS sont suffisamment étendues, elles peuvent renforcer les fluctuations de spin à basse énergie. Cela peut conduire au comportement observé, surtout l'augmentation des taux de relaxation.

#Comprendre le GAP supraconducteur

Un autre concept clé dans la supraconductivité est le gap supraconducteur, qui se réfère à la différence d'énergie entre l'état fondamental et le plus bas état excité du système. Le gap détermine à quel point les électrons peuvent facilement former des paires et se déplacer librement. Les changements dans le gap supraconducteur à travers différents niveaux de substitution par le S peuvent révéler comment le matériau passe entre ses états normaux et supraconducteurs.

Dans des expériences, les chercheurs ont trouvé qu'à mesure que la substitution par le S augmente, le gap supraconducteur évolue aussi, montrant des caractéristiques différentes dans les phases nématique et tétragone. Comprendre comment ces gaps se comportent aide les chercheurs à en apprendre plus sur les interactions entre les électrons dans l'état supraconducteur.

#Implications des Découvertes

Les découvertes liées aux BFS et aux fluctuations de spin dans FeSe ont des implications significatives pour le domaine plus large de la supraconductivité. Elles remettent en question les théories existantes sur le fonctionnement des supraconducteurs, surtout celles concernant le rôle des interactions spin et les effets des différentes phases structurelles.

Comprendre ces comportements novateurs dans FeSe pourrait mener au développement de nouveaux matériaux avec des propriétés supraconductrices améliorées. L'étude des quasi-particules de Bogoliubov dans ce contexte est particulièrement prometteuse, car elle pourrait orienter les futures recherches pour concevoir des supraconducteurs non conventionnels qui fonctionnent dans différentes conditions ou ont des applications uniques.

#Conclusion

L'investigation des supraconducteurs à base de fer, en particulier le FeSe avec substitution par le S, a fourni des informations précieuses sur l'interaction complexe entre supraconductivité, fluctuations de spin et surfaces de Fermi. L'identification des surfaces de Fermi de Bogoliubov éclaire les mécanismes sous-jacents des états supraconducteurs et offre de nouvelles voies d'exploration en science des matériaux.

Alors que les chercheurs continuent d'explorer ces phénomènes, le potentiel de découverte de nouveaux matériaux supraconducteurs avec des propriétés sur mesure reste. La relation entre la structure électronique, la dynamique des spins et la supraconductivité est complexe, et la recherche continue sera essentielle pour déchiffrer ces interactions complexes dans les supraconducteurs.