Vật liệu bị loại bỏ từ lâu như một kim loại từ thông thường đã được tiết lộ để lưu trữ bí mật siêu dẫn Ảnh: Shutterstock

Loại bỏ sắt dư thừa cho thấy FeTe như một chất siêu dẫn, và các đặc tính của nó có thể được thiết kế bằng cách sử dụng các cấu trúc lớp và hiệu ứng moiré.

Siêu dẫn là khả năng của vật liệu mang điện mà không bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt. Thuộc tính này hỗ trợ các thiết bị điện tử siêu nhanh, hiệu quả cao được sử dụng trong các công nghệ như chụp cộng hưởng từ (MRI), máy gia tốc hạt và máy tính lượng tử có khả năng.

Một nghiên cứu mới cho thấy rằng teluride sắt (FeTe), một hợp chất làm bằng sắt và tellurium và từ lâu được coi là một kim loại từ tính đơn giản, thực sự là một chất siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các nguyên tử sắt dư thừa ẩn tạo ra từ tính của vật liệu. Khi những nguyên tử bổ sung đó được loại bỏ, điện có thể di chuyển qua vật liệu mà không có điện trở.

Những phát hiện này được trình bày chi tiết trong hai bài báo được công bố liên tiếp trên tạp chí Nature, cả hai đều do nhà vật lý Penn State Cui-Zu Chang dẫn đầu. Bài báo đầu tiên giải thích cách kích hoạt tính siêu dẫn trong FeTe. Thứ hai mô tả một loại mới của “điệu nhảy lượng tử” trong đó siêu dẫn tương tác với cấu trúc nguyên tử của vật liệu khi một lớp trên cùng khác được thêm vào, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh các tính chất của nó.

Một mẫu của một màng mỏng của hợp chất sắt telluride (FeTe) - vùng tối trên chất nền rõ ràng ở trung tâm của hình ảnh - được tạo ra bằng cách sử dụng epitaxy chùm phân tử. Từ lâu được cho là một kim loại từ tính thông thường, các nhà nghiên cứu hiện đã chỉ ra rằng việc phơi bày màng mỏng của FeTe với hơi tellurium loại bỏ rối loạn được tạo ra bởi các nguyên tử sắt dư thừa bị mắc kẹt trong cấu trúc tinh thể của vật liệu, tiết lộ rằng FeTe là một chất siêu dẫn. Ảnh: Chang Laboratory/Penn State.

Bí ẩn đằng sau tính siêu dẫn mất tích của FeTe

“Không giống như chất siêu dẫn bằng sắt nổi tiếng selenide (FeSe), FeTe từ lâu đã được coi là một kim loại từ tính không có tính siêu dẫn, mặc dù có cấu trúc tinh thể gần như giống hệt nhau”, Chang nói. “Nó vẫn còn là một bí ẩn tại sao FeTe không chia sẻ tài sản quan trọng này.”

Để điều tra sự khác biệt này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các màng mỏng của FeTe bằng cách sử dụng epitaxy chùm phân tử. Phương pháp này tạo ra các vật liệu cực kỳ sạch, mỏng nguyên tử bằng cách từ từ lắng đọng các nguyên tố nguồn lên một bề mặt phù hợp.

Khi các nhà nghiên cứu kiểm tra các mẫu ở cấp độ nguyên tử bằng cách sử dụng kính hiển vi quét đường hầm, họ thấy rằng cấu trúc không hoàn toàn đồng đều. Các nguyên tử sắt bổ sung được nhúng trong mạng tinh thể của FeTe.

Nguyên Tử Sắt Dư Thừa Làm Gián Đoạn Siêu Dẫn

“Những nguyên tử sắt dư thừa này phá vỡ tỷ lệ một-một lý tưởng của các nguyên tử sắt và tellurium trong FeTe và làm đảo lộn sự cân bằng của từ tính và siêu dẫn”, Chang nói, giải thích rằng các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng việc loại bỏ các nguyên tử dư thừa để tạo ra FeTe thực sự tinh khiết có thể dẫn đến một chất siêu dẫn.

Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cách để kiểm soát độ tinh khiết của vật liệu bằng cách để các bộ phim FeTe tiếp xúc với hơi tellurium. Quá trình này bù đắp sắt dư thừa và đẩy vật liệu về phía thành phần lý tưởng của nó.

Các nhà nghiên cứu đã xác định được công tắc cho phép siêu dẫn trong telluride sắt (FeTe) và quan sát thấy một điệu nhảy lượng tử của tính siêu dẫn. Hình ảnh bên trái cho thấy một phương pháp để kiểm soát chính xác độ tinh khiết của FeTe bằng cách để lộ các màng mỏng của vật liệu được tạo ra bằng cách sử dụng biểu tượng chùm phân tử cho một môi trường có hơi tellurium. Hình ảnh giữa cho thấy tỷ lệ một-một lý tưởng của các nguyên tử sắt và tellurium trong FeTe đã mở khóa tính siêu dẫn của nó. Hình ảnh bên phải cho thấy điệu nhảy lượng tử, một mô hình siêu dẫn giống như giọt mà các nhà nghiên cứu quan sát được bằng cách tạo ra các cấu trúc lớp của FeTe và một vật liệu mỏng với cấu trúc tinh thể khác. Ảnh: Chang Laboratory/Penn State.

“FeTe lý tưởng kết quả thể hiện tính siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn khoảng 13,5 Kelvin, hoặc khoảng âm 435 độ FahrenheitF”, Chang nói. “Các nguyên tử sắt dư thừa đã ngụy trang tính siêu dẫn của nó, dẫn đến quan điểm hàng thập kỷ rằng FeTe là một kim loại từ tính thông thường. Phát hiện của chúng tôi xác định lại sơ đồ pha của nhóm các hợp chất chứa sắt này. Các hiện tượng tương tự có khả năng xuất hiện trong các vật liệu tương quan khác, nơi các trạng thái siêu dẫn ẩn hoặc các đơn đặt hàng từ tính cạnh tranh vẫn được che giấu cho đến khi rối loạn được loại bỏ hoặc kiểm soát cẩn thận. Hiểu được vai trò quan trọng của rối loạn sẽ giúp chúng ta khám phá và ổn định các trạng thái siêu dẫn ẩn như vậy trong các vật liệu khác.

Kỹ thuật siêu dẫn với cấu trúc lớp

Trong nghiên cứu thứ hai, sau khi xác nhận rằng FeTe vốn là một chất siêu dẫn, các nhà nghiên cứu đã điều tra cách hành vi siêu dẫn của nó có thể được kiểm soát. Họ xây dựng các cấu trúc nhiều lớp bằng cách đặt một vật liệu mỏng với một mạng tinh thể khác nhau trên đỉnh FeTe. Bởi vì hai vật liệu có sự sắp xếp nguyên tử khác nhau, chúng tạo thành một mô hình lặp lại lớn hơn ở ranh giới của chúng, được gọi là siêu đẹp moiré.

“Sự không phù hợp giữa các cấu trúc tinh thể tại giao diện tạo ra cái mà chúng ta gọi là một siêu sao moiré, giúp sửa đổi các đặc tính siêu dẫn của FeTe”, Chang nói. “Trong những năm gần đây, các siêu sao moiré trong các vật liệu hai chiều đã nổi lên như một nền tảng quan trọng để khám phá các trạng thái lượng tử mới.”

Sử dụng kính hiển vi quét đường hầm, cho phép hình ảnh ở quy mô nguyên tử, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng tính siêu dẫn xuất hiện như một mô hình lặp đi lặp lại, giống như giọt theo siêu đàn moiré, được các nhà nghiên cứu mô tả là một điệu nhảy lượng tử. Họ cũng phát hiện ra rằng mẫu này có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi vật liệu được sử dụng ở lớp trên cùng.

“Vai trò của mạng tinh thể thường bị bỏ qua trong các chất siêu dẫn”, Chang nói. “Phát hiện của chúng tôi khuyến khích sự tập trung đổi mới vào sự tương tác giữa tính siêu dẫn và cấu trúc mạng và làm nổi bật cách kỹ thuật giao diện moiré có thể phục vụ như một công cụ mạnh mẽ để điều chỉnh tính siêu dẫn và thiết kế các vật liệu lượng tử thế hệ tiếp theo.”/.