Siêu dẫn nhiệt độ cao nền sắt tiết lộ cơ chế siêu dẫn mới

Hiện tượng siêu dẫn xảy ra khi một vật liệu bị làm lạnh dưới một nhiệt độ nhất định và khi đó các điện tử dẫn trong vật liệu sẽ kết thành các cặp và truyền dẫn mà không có điện trở. Khe năng lượng siêu dẫn, một tính chất vật lý quan trọng trong chất siêu dẫn, là năng lượng cần thiết để phá hủy một trong số các cặp đó. Thật vậy, đo đạc một cách chính xác bản chất của khe năng lượng đóng vai trò quyết định trong việc hiểu được bản chất vật lý của hiện tượng siêu dẫn. Trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống ví dụ như chì, các nhà vật lý đã biết rằng khe năng lượng của nó là đối xứng hoàn hảo đối với chiều mômen xung lượng của điện tử. Các vật liệu siêu dẫn này có thể mô tả bằng lý thuyết siêu dẫn BCS phát triển bởi John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer vào năm 1957. Lý thuyết này đã chỉ ra rằng các cặp điện tử được tạo ra là kết quả của tương tác giữa các điện tử với dao động mạng tinh thể trong vật liệu.

Tuy nhiên, trong các vật liệu khác ví dụ như các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao dựa trên hợp chất ôxit đồng (cuprate superconductors), khe năng lượng không đối xứng một cách hoàn hảo, nhưng cũng phân chia thành các thùy riêng biệt được mô tả như đối xứng sóng d (d-wave symmetry). Do lý thuyết BCS đòi hỏi một khe năng lượng đối xứng, do đó lý thuyết này không thể sử dụng để lý giải các tính chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Trong khi dường như có một mối tương quan lớn giữa các khe năng lượng với tính chất đối xứng bất thường và tính siêu dẫn nhiệt độ cao, các nhà vật lý lại vẫn đang cố gắng hiểu cơ chế kết cặp trong các vật liệu này.

Đối xứng hay không đối xứng?

Vấn đề càng bị phức tạp hóa hơn khi mà họ vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao mới trên nền các hợp chất của sắt-arsene được các nhà vật lý phát hiện năm trước không có các tính chất khớp với các mô hình BCS hay kiểu ôxit đồng. Khi đo đạc khe năng lượng của các vật liệu này bằng kỹ thuật chuẩn phổ phát xạ phân giải góc (Angle-resolved photoemission spectroscopy - ARPES), khe năng lượng xuất hiện dạng đối xứng nhưng lý thuyết BCS bất lực trong việc giải thích tại sao chúng lại mang tính siêu dẫn ở nhiệt độ khá cao. Một số nhà vật lý đã nhận ra rằng một vật liệu siêu dẫn có thể có khe năng lượng đối xứng hoàn hảo về mặt độ lớn, nhưng với một trạng thái dương cho một vài điện tử và một trạng thái âm cho một số khác. Một khe năng lượng với đối xứng "S±" có thể liên quan đến các tính chất nhiệt độ cao của hợp chất sắt-arsene.

Mới đây, Ray Osborn cùng các cộng sự ở các Phòng thí nghiệm Quốc gia Argons và Oak Ridge, và Đại học Northwestern (Hoa Kỳ), cùng các cộng sự tại Phòng thí nghiệm Rurtherford Appletion (RAL,Anh quốc) đã sử dụng kỹ thuật tán xạ netron không đàn hồi để tìm ra một bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho đối xứng S± trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao nền sắt (Ba _0.6K_0.4Fe ₂As ₂).

Merlin tiết lộ kích thích từ

Nhóm đã sử dụng phổ kế Merlin tại hệ thiết bị tán xạ neutron ISIStại RAL. Chùm neutron xung được sử dụng để bắn phá vật liệu, và phân bố năng lượng cũng như xung lượng của neutron tán xạ được đo đạc. Nhóm đã tìm ra rằng neutron đã tạo ra một kích thích từ trong vật liệu ở tại một giá trị xung lượng và năng lượng mà họ tin rằng chỉ có thể xảy ra nếu khe năng lượng có đối xứng S±. Theo Osborn, đối xứng này chưa từng được phát hiện trước đó bởi vì kỹ thuật ARPES không nhạy với các trạng thái của khe.

Osbon phát biểu trên physicsworld.com rằng đối xứng S± “ có một hệ quả hết sức sâu sắc cho bản chất tương tác cặp ”. Không giống như tương tác BCS, là tương tác húttrong khoảng cách gần, Osbon nói rằng đối xứng S± có ngụ ý là cơ chế cặp trong các vật liệu siêu dẫn là tương tác đẩy ở khoảng cách gần và là tương tác hút ở khoảng cách xa. “ Đó là một thôngtin cực kỳ quan trọng cho các nhà lý thuyết ” – Osbon nói, nhưng cũng cảnh báo rằng “ Nó không nói cơ chế chính xác thực ra là gì ?”.

Theo Igor Mazin ở Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân ở Washington, phát hiện này có nghĩa là nhiều khả năng cơ chế này tạo ra tính siêu dẫn trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao sắt-arsene, khác hẳn với cơ chế trong các vật liệu siêu dẫn hợp chất đồng hoặc siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống. Mazin cũng chỉ ra rằng đối xứng S± cũng đồng nghĩa với việc từ tính cũng hầu như được tạo ra trong tương tác cặp và nếu hiểu được một cách rõ ràng tronng các vật liệu sắt-arsene sẽ là một then chốt trong việc hiểu tính siêu dẫn của chúng. Osbon cùng các đồng nghiệp cũng đang lập các kế hoạch để thực hiện thêm các thí nghiệm nhiễu xạ neutron trên mẫu đơn tinh thể, mà có khả năng sẽ tiết lộ thêm nhiều thông tin lý thú. Có thể xem chi tiết công trình vừa công bố trên Nature 456 930 .