160. obljetnica rođenja Andrije Mohorovičića        21. travnja - DAN PMF-a

Željezno doba u supravodljivosti

Uvod

 

Istraživanja novih supravodiča; željeznih pniktida, je jedno od najaktivnijih područja u modernoj fizici čvrstog stanja od otkrića ovih intrigantnih materijala 2008 godine [1]. Otkriće supravodljivosti u LaFeAsO1−xFx  s temperaturom supravodljivog prijelaza Tc = 26 K dovelo je do značajnog proboja u istraživanjima visokotemperaturne supravodljivosti.  Ovi materijali imaju temperature supravodljivog prijelaza do 55 K, što je najviša temperature prijelaza osim u slučaju supravodljivih kuprata [2].  Dok je otkriveno nekoliko različitih obitelji supravodiča baziranih na željezu, svi oni posjeduju mehanizam kojim se antiferomagnetsko uređenje pretvara u supravodljivo podešavanjem elektronske gustoće prilikom promjene kemijskog sastava, što je usporedivo s kupratima. Željezni pniktidi imaju elektronski aktivne FeAs ravnine s multiorbitalnim karakterom. U “1111” obitelji spojeva, dopiranjem elektronima kroz supstituciju s fluorom, antiferomagnetsko uređenje RFeAsO je potisnuto i dolazi do pojave supravodljivosti u faznom dijagramu.

Slika 1.  Sruktura LaO1-xFxFeAs

 

Simetrija parametra uređenja i mehanizam sparivanja Cooperovih parova su jedni od najintrigantnijih problema aktualne fizike čvrstog stanja. Povijesno, NMR studije su pokazale postojanje tzv. Hebel-Slichter maksimuma vremena spin-rešetka nuklearne relaksacije i on je odigrao značajnu ulogu u uspostavljanju BCS teorije kao prvog mikroskopskog opisa konvencionalnih supravodiča. Sada vjerujemo da će pniktidi biti instrument u razumijevanju više od dvije dekade starog misterija koji leži iza visokotemperaturne supravodljivosti u kupratima. Premda nema općeg konsenzusa o nekonvencionalnoj prirodi Cooperovog sparivanja u pniktidima, nekoliko centralnih pitanja ostaje uključujući ulogu magnetizma, prirode kemijskog i strukturnog tuniranja i rezultantne simetrije sparivanja. Naša istraživanja se provode u suradnji s NMR grupom IFW Dresden (Dr. H.-J. Grafe).

 

Slika 2. Spin-rešetka relaksacija, (T1T)-1, jezgara 75As, 57Fe, 139La i 19F  u LaO1-xFxFeAs. Sve tri jezgre pokazju isto ponašanje spin-rešetke relaksacije, što ukazuje na nepostojanje strukture u q-prostoru u dinamičkoj spinskoj susceptibilnosti, koja se mogla očekivati u prisustvu antiferomagnetskih korelacija.

 

 

   

     Međuigra magnetizma i supravodljivosti

 

Centralno pitanje koje se tiče svih familija željeznih pniktida je da li se magnetizam ili spinske fluktuacije natječu sa supravodljivošću ili ju pojačavaju. Vrijeme otpuštanja spin-rešetka nuklearne relaksacije je vrlo korisna proba za detekciju magnetskih fluktuacija budući da je direktno proporcionalno  dinamičnoj spinskoj susceptibilnosti ovisnoj o valnom vektoru q. Kako su NMR i NQR lokalne probe, moguće je razlikovati koegzistenciju ova dva fenomena sa scenarijem fazne separacije u kome su magnetizam i supravodljivost razvijaju zasebno u prostorno odvojenim područjima uzorka U optimalno dopiranim i predopiranim uzorcima LaFeAsO1-xFx, (T1T)-1 se smanjuje sa smanjenjem temperature. Ovo ponašanje je poznato od početka istraživanja pniktida te je uspoređeno sa pseudoprocijepom u kupratima [3, 4]. Međutim kako Knightov pomak pokazuje sličnu temperaturnu ovisnost te nije opažen maksimum pseudoprocijepa do 480 K [5, 6], scenarij sa pseudoprocijepom se ne čini vjerojatnim. Novija teorijska razmatranja sugeriraju da bi odstupanja u orbitalnoj gustoći stanja mogla biti uzrok smanjenja susceptibilnosti [7].

U poddopiranim uzorcima, 1/(T1T) se povećava na niskim temperaturama što indicira na porast antiferomagnestkih spinskih fluktuacija. Ove fluktuacije su vidljive samo u (T1T)-1 , a ne u makroskopskoj spinskoj susceptibilnosti ili u Knightovom pomaku. To je zato što (T1T)-1 ispituje susceptibilnost ovisnu o valnom vektoru, dok su makroskopska susceptibilnosti ili Knightov pomak određeni na q=0.  Porast (T1T)-1 na niskim temperaturama često se opisuje s Curie-Weiss ponašanjem koje pokazuje porast spinskih fluktuacija prema Tc.  Međutim u nizu studija je opažen maksimum iznad Tc koji nije konzistentan s tim modelom.

Slika 3. Knightov pomak 75As, 57Fe, 139La, i makroskopska susceptibilnost  u LaO1-xFxFeAs. Pad Knightovog pomaka s temperaturom (pseudo gap), ali bez maksimuma do 500 K.  Skaliranje  75As, 139La s makroskopskom susceptibilnošću.

 

 

     Lokalno elektronsko uređenje

 

Naša istraživanja ukazuju na koegzistenciju dvije različite elektronske okoline na nanoskali u poddopiranim LaFeAsO1-xFx, te SmFeAsO1-xFx  što se može opaziti kao dva maksimuma u As NQR spektru [8]. Ova istraživanja su potvrđena i od strane drugih istraživača [9, 10], dok se elektronsko porijeklo ovih maksimuma može proučavati dodatnom supstitucijom Fe sa Ru [11]. Ru mijenja težinu oba NQR maksimuma pokazujući da njihovo porijeklo nije vezano uz jezgre arsena koje su najbliži susjedi fluora. Može se pretpostaviti da supravodljive i magnetske volumne frakcije koegzistiraju na nanoskali te sistem poprima odgovarajuće osnovno stanje ovisno o omjeru intenziteta tih maksimuma. Drugo moguće objašnjenje tih maksimuma može biti orbitalno uređenje koje je vezano sa statičnim magnetizmom.

 

Slika 4. 75As NQR spektar od RFeAsO1-xFx (R=La,Sm). ‘‘OPT’’ i ‘‘OVD’’ se odnose na optimalno dopirane i naddopirane uzorke.  Dva oblika elektronskih uređenja mogu koegzistirati na nanometarskoj skali.

 

 

     Supravodljivo stanje

 

Izvedena su sustavna istraživanja LaFeAs1-dO0.9F0.1  [12]. Mjerenjima vremena relaksacije T1-1 u supravodljivom stanju pokazano je da nedostatak As stabilizira s+ supravodljivo stanje ili vodi do nereda vođenog  promjenom u s++ supravodljivost. Iznenađujuće, T1-1  se mijenja od T3 ovisnosti koja je detektirana u čistim LaFeAsO0.9F0.1 uzorcima na T5  ovisnost u As-deficijentnim uzorcima. Ovo ponašanje isključuje mogući d-valni parametar uređenja koji bi doveo do T3 ovisnosti. Studija As deficijentnih uzoraka dala je vrijedan uvid u supravodljivi mehanizam te međuigru između magnetizma i supravodljivosti na koju se utječe pomoću stvarnih defekata na fiziku željeznih pniktida.

Slika 5. Spin-rešetka relaksacija u supravodljivom stanju LaO1-xFxFeAs.

 

Daljnji planovi istraživanja

 

Kao lokalne probe u stvarnom prostoru, NMR i NQR su naprednije tehnike za razliku od mjerenja makroskopske susceptibilnosti omogućuju mjerenje lokalnih magnetskih i/ili elektronskih okolina selektivnim pobuđenjima pojedinih atomskih jezgara. Kroz hiperfine interakcije statična i dinamična svojstva različitih materijala mogu se istraživati na mikroskopskoj skali. Stoga je NMR/NQR jedna od malobrojnih tehnika koje mogu detektirati niskoenergijska pobuđenja spinova ili naboja koja dolaze iz novih faza ili nehomogenog uređenja spinova ili naboja. NMR/NQR također omogućuje uvid u supravodljivo stanje gdje hiperfino vezanje jezgara na elektronske spinove nije zasjenjeno Meissnerovim efektom nasuprot makroskopskoj susceptibilnosti mjerenoj sa SQUID-om.

Daljnjim istraživanjima novih željeznih pniktida proučavaju se međuodnosi između supravodljivosti i magnetizma. Primijenit će se jača magnetska polja kako bi se dalje prigušila supravodljivost. Za razliku od toga, spinske fluktuacije ne ovise o polju tj. (T1T)-1 se ne bi trebao mijenjati u velikim poljima ako je ispravno Curie-Weiss ponašanje. Ako nije, to može indicirati usporavanje spinskih fluktuacija slično kao što je opaženo kod LaFeAsO1-xFx. Dalje će se istraživati porijeklo temperaturne ovisnosti lokalnog elektronskog uređenja koje je detektirano s NQR. Tražit će se dvostruki NQR maksimum u drugim pniktidima i istraživati temperaturna ovisnost. Istraživati će se utjecaj kontroliranih nečistoća kao As praznina u strukturi. U tijeku su analize uzoraka poput Ca1-xNaxFe2As2 (Tc = 34 K) i Na1-xLaxFe2As2 (Tc = 27 K) koji su elektronski dopirani izvan ravnina te slični fluorom dopiranim LaFeAsO1-xFx gdje je opažen dvostruki maksimum u NQR spektru. Istražuje se supravodljivo stanje te odnos supravodljivosti i magnetizma u tim materijalima.

 

 

 

 

     Literatura

 

  1. Y. Kamihara, T. Watanabe, M. Hirano, and H. Hosono, J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).
  2. Z. -A. Ren, W. Lu, J. Yang, W. Yi, X. -L. Shen, Z. -C. Li, G. -C. Che, X. -L. Dong, L. -L. Sun, F. Zhou, Z. -X. Zhao, Chin. Phys. Lett. 25, 2215 (2008).
  3. H.-J. Grafe, D. Paar, G. Lang, N. J. Curro, G. Behr, J. Werner, J. Hamann-Borrero, C. Hess, N. Leps, R. Klingeler, B. Büchner, Phys. Rev. Lett. 101, 047003 (2008).
  4. Y. Nakai, K. Ishida, Y. Kamihara, M. Hirano, H. Hosono, Journal of the Physical Society of Japan 77, 073701 (2008).
  5. J. Grafe, G. Lang, F. Hammerath, D. Paar, K. Manthey, K. Koch, H. Rosner, N. J. Curro, G. Behr, J. Werner, N. Leps, R. Klingeler, B. Büchner, New J. Phys. 11, 035002 (2009).
  6. D. Paar, H.-J. Grafe, G. Lang, F. Hammerath, K. Manthey, G. Behr, J. Werner, B. Büchner, Physica C 470, 468 (2010).
  7. S. L. Skornyakov, A. A. Katanin, V. I. Anisimov, Phys. Rev. Lett. 106, 047007 (2011).
  8. G. Lang, H.-J. Grafe, D. Paar, F. Hammerath, K. Manthey, G. Behr, J.Werner, B. Büchner, Phys. Rev. Lett. 104, 097001 (2010).
  9. Y. Kobayashi, E. Satomi, S. C. Lee, and M. Sato, J. Phys. Soc. Jpn. 79, 093709 (2010).
  10. T. Oka, Z. Li, S. Kawasaki, G. F. Chen, N. L. Wang, Guo-qing Zheng, Phys. Rev. Lett. 108, 047001 (2012).
  11. S. Sanna, P. Carretta, P. Bonfa, G. Prando, G. Allodi, R. De Renzi, T. Shiroka, G. Lamura, A. Martinelli, M. Putti, Phys. Rev. Lett. 107, 227003 (2011).
  12. F. Hammerath, S.-L. Drechsler, H.-J. Grafe, G. Lang, G. Fuchs, G. Behr, I. Eremin, M. M. Korshunov, B. Büchner, Phys. Rev. B 81, 140504(R) (2010).