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磁结构的原子尺度成像

2018-05-17
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马克斯普朗克固态研究所的科学家们利用磁性结构的原子尺度成像来研究高温超导性的新方面。 /

超导体引发了许多希望,特别是在相当高的温度下失去电阻的材料 - 无论是高性能医疗成像技术,能源运输还是磁悬浮列车。高温超导体的名称可以找到许多应用。然而,他们的魅力与他们的实际本质的持续奥秘没有关系;迄今为止这阻碍了对于实际温度的零电阻导体的搜索。斯图加特马克斯普朗克固态研究所和奥格斯堡研究所的科学家正在为更详细地了解铁基超导体如何工作以及磁性所发挥的作用做出贡献。他们是第一个在原子尺度上对所谓强相关电子系统的磁结构进行成像的,这里是碲化铁。在此之前,关于磁结构的信息仅由中子衍射提供,但其产生的图像不精确。铁碲化物是铁硫属化物超导体的非超导母体化合物。研究人员现在希望能够将该方法应用于同时具有超导和磁性的材料,以便更多地了解磁性与超导性之间的关系。

诸如氧化铜陶瓷或铁砷化合物之类的物质被认为是高温超导体:它们不必像其他材料那样冷却以使其超导。为什么是这样?迄今为止有假设,但没有证明对精确过程的描述。 “马克斯普朗克固态研究所和圣安德鲁斯大学的Peter Wahl说:”许多研究小组现在提出的一个关键问题是关于这些材料的磁性和超导性质之间的关系。“ “这两种效应能否发生在同一个地点?或者它们是相互排斥的?“物理学家认为,材料的磁性甚至可能是其超导性的原因。

为了检验这一点,研究人员长期以来一直在寻找一种能够在原子尺度上表征这些强相关电子材料中的磁性结构的方法。迄今为止,中子衍射方法已成为研究磁序的首选工具,但它仅提供了对磁结构的空间平均见解。

斯图加特的Max Planck研究人员现在已经使用了一种所谓的自旋极化扫描隧道显微镜,它可以对单个原子磁矩的方向进行成像。该方法并不新颖,但迄今为止大部分已应用于金属表面和纳米结构。到目前为止尚不清楚该方法是否可用于阐明碲化铁等强相关系统的磁性结构。这是因为这种材料的顶层由碲组成,这是一种本身不具有磁性的元素。

科学家们现在已经表明,自旋极化扫描隧道显微镜也可以应用于强相关电子材料,尽管其复杂的化学性质。下面的铁格子很可能会产生太大的影响。由扫描隧道显微镜拍摄的图像可以识别由碲化铁中的反铁磁有序产生的窄纵向条纹。在条纹内,所有的磁矩都具有相同的方向;在相邻的条纹上,它的方向相反。

实验挑战是磁化显微镜的尖端进行自旋极化研究。为了在表面上研究纳米结构,研究人员主要通过加热显微镜的尖端和气相沉积磁性材料来实现这一点。为了避免需要这种技术要求很高的程序,科学家们使用了一个技巧:他们在显微镜尖端调查碲化碲表面上拾取单个铁原子,直到它变成磁性。通过这种方式,他们可以在真实空间中以原子分辨率对碲化铁中的磁条顺序进行成像。

研究人员对反铁磁结构形成所需的温度进行了有趣的观察。在实验中,这是大约零下227摄氏度,比通常需要的温度低大约20度。其原因是研究人员在他们的实验中仅观察到了碲化铁的表面。与大部分材料中的碲化铁层相比,此处缺少与其上的原子层的相互作用。因此,磁矩也不能相互稳定它们的顺序 - 仅在较低温度下形成磁结构。

由Peter Wahl领导的研究小组也确定,当铁原子比例较高时,磁性顺序变得更复杂:纵向条纹部分溶解,并被横向条纹覆盖。看起来,剩余的原子和它们的磁矩混淆了磁性。 “这里的研究还有很大的潜力,”Peter Wahl说。 “我相信一个真正的繁荣将会很快发展,团队将在超导和磁性之间的边界上对其他材料进行类似的实验。”了解这些材料的性质将是超导技术的第一步,高效节能,最终甚至可能适合日常应用。

出版物:Mostafa Enayat等人,“Fe1 + y / Te的原子尺度磁结构的实空间成像”,2014,Science; DOI:10.1126 / science.1251682

Source:Max Planck Institute

图片:Peter Wahl,圣安德鲁斯大学和固态研究MPI