Eisenselenid als Wald- und Wiesen-Supraleiter enttarnt

Dr. Jitae Park Dr. Jitae Park hat den Eisenselenid-Supraleiter an seinem Instrument PUMA mit Neutronenspektoskopie untersucht. © Wolfgang Filser / TUM

Dr. Jitae Park hat den Eisenselenid-Supraleiter an seinem Instrument PUMA mit Neutronenspektoskopie untersucht. © Wolfgang Filser / TUM

Im Pantheon der unkonventionellen Supraleiter ist Eisenselenid der Rockstar. Aber neue Experimente eines Wissenschaftlerteams haben ergeben, dass die magnetischen Eigenschaften des Materials ziemlich gewöhnlich sind. Die Ergebnisse, die die Gruppe auch mit Hilfe von Neutronenexperimenten am MLZ gewonnen hat, hat sie jetzt in der renommierten Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht.

Studienleiter Prof. Dr. Pengcheng Dai von der Rice University in Houston, USA, bietet folgende abschließende Beurteilung von Eisenselenid an: „Es ist ein Wald- und Wiesen-eisenhaltiger Supraleiter. Die grundlegende Physik der Supraleitung ist ganz ähnlich wie die in allen anderen eisenhaltigen Supraleitern.“

Diese nüchterne Schlussfolgerung basiert auf Ergebnissen aus inelastischen Neutronenstreuexperimenten, die im vergangenen Jahr an den beiden Dreiachsenspektrometern PUMA und PANDA am MLZ und an US-amerikanischen und britischen Neutronenquellen liefen. Zum ersten Mal konnten die Wissenschaftler die dynamischen magnetischen Eigenschaften von Eisenselenid-Kristallen messen, die eine charakteristische Strukturänderung durchgemacht hatten, als das Material bis kurz vor die Temperatur der Supraleitung abkühlte.

Was aber macht Eisenselenid so besonders? „Es ist in verschiedener Hinsicht komplett anders als alle anderen eisenhaltigen Supraleiter“, sagt Dai, Professor für Physik und Astronomie. „Es hat eine sehr einfache Struktur, weil es nur aus zwei Elementen besteht. Alle anderen haben mindestens drei Elemente und eine viel kompliziertere Struktur. Eisenselenid ist auch der einzige Supraleiter, der keine magnetische Ordnung hat und keine „Eltern-Verbindung“.

Tong Chen Doktorand Tong Chen verbrachte Wochen am Mikroskop, um die Proben für die Neutronenmessung herzustellen. 20 bis 30 ein Quadratmillimeter große Eisenselenidproben mussten aneinandergereiht und auf einen Bariumeisenarsenid-Kristall geklebt werden. © Jeff Fitlow / Rice University

Doktorand Tong Chen verbrachte Wochen am Mikroskop, um die Proben für die Neutronenmessung herzustellen. 20 bis 30 ein Quadratmillimeter große Eisenselenidproben mussten aneinandergereiht und auf einen Bariumeisenarsenid-Kristall geklebt werden. © Jeff Fitlow / Rice University

Dutzende eisenhaltige Supraleiter sind seit 2008 entdeckt worden. In jedem formen die Atome eine zweidimensionale Schicht, die wie ein Salatblatt im Sandwich zwischen je einer oberen und unteren Schicht aus anderen chemischen Elementen liegt. Im Fall des Eisenselenids bestehen die beiden Sandwichhälften nur aus Selen, während das in anderen Materialien zwei oder mehr chemische Elemente sein können. In Eisenselenid und anderen eisenhaltigen Supraleitern sind die Eisenatome in der zweidimensionalen mittleren Schicht schachbrettmusterartig verteilt, exakt genau im selben Abstand zueinander von rechts nach links und von vorne nach hinten gesehen.

Wenn das Material sich abkühlt, macht es eine leichte strukturelle Veränderung durch. Statt exakte Quadrate formen die Eisenatome längliche Rauten, wodurch sich die Eisenatome in einer Richtung jetzt plötzlich näher sind als in der anderen Richtung. Diese Änderung in der Eisenatom-Struktur löst bei den eisenhaltigen Supraleitern ein richtungsabhängiges Verhalten aus: z.B. erhöht sich der elektrische Widerstand oder die Leitfähigkeit nur in der rechts-links oder der vorwärts-rückwärts-Richtung.

Physiker nennen dieses richtungsabhängige Verhalten Anisotropie oder Nematizität. Während bekannt sei, dass in Eisenselenid diese strukturelle Nematizität vorkommt, so Dai, sei es aber bislang nicht gelungen, die exakte elektronische und magnetische Ordnung des Materials zu messen. Das liegt an der Eigenschaft, die als „Twinning“ bekannt ist. Diese Verzwilligung tritt dann auf, wenn Schichten von zufällig angeordneten zweidimensionalen Kristallen übereinandergestapelt sind.

„Selbst wenn es in so einer verzwillingten Probe richtungsabhängiges Verhalten gibt, kann man es nicht messen, weil sich die Unterschiede wieder gegenseitig aufheben und man am Ende als Nettoergebnis einfach null misst“, sagt Pengcheng Dai. „Wir mussten unverzwillingte Proben von Eisenselenid erzeugen, um zu sehen, ob da eine nematische elektronische Ordnung existiert.“

Dieses Problem löste der Erstautor Tong Chen, ein Doktorand in Prof. Dais Arbeitsgruppe, indem er eine Methode anwandte, die Dai und seine Kollegen entwickelt hatten. Mit Hilfe von Druck hatten die Forscher damals Kristalle von Barium-Eisenarsenid entkoppelt. Das war im Fall von Eisenselenid leider unmöglich, da die Kristalle 100fach kleiner waren. Deshalb klebte Chen die kleineren Kristalle auf Größere. Seine Absicht war, dass der Druck, der benötigt wird, um die größere Probe in die richtige Ordnung zu bringen, auch die Schichten von Eisenselenid angleichen würde.

Die Neutronenmessungen zeigten, dass die Eisenselenid-Probe nicht verzwillingt war. Außerdem brachten die Messungen unter anderem bei Dr. Astrid Schneidewind (Forschungszentrum Jülich) am PANDA und Dr. Jitae Park (Technische Universität München) am PUMA zutage, dass das elektrische Verhalten von Eisenselenid sehr ähnlich dem anderer Supraleiter ist.

„Die wichtigste Schlussfolgerung ist für uns, dass die magnetischen Wechselwirkungen, die mit der Supraleitung zusammenhängen, genauso wie bei anderen Supraleitern in Eisenselenid sehr anisotrop sind“, sagt Prof. Dai. „Das war unter den Forschern sehr umstritten, weil Eisenselenid im Vergleich zu allen anderen eisenhaltigen Supraleitern keine Elternverbindung besitzt, die eine antiferromagnetische Ordnung aufweisen. Dies hat manche zu der Vermutung verleitet, dass Supraleitung in Eisenselenid auf einem ganz anderen Weg zustande kommt als bei allen anderen. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass das nicht der Fall ist. Man braucht keine komplett neue Methode, um das zu verstehen.“

Jitae Park vom MLZ fügt hinzu: „Diese Ergebnisse werden uns helfen, ein mikroskopisches Modell zu entwickeln, das die Mechanismen der Supraleitung in eisenhaltigen Supraleitern erklärt.“

Englischer Originaltext: Jade Boyd / Rice University