鐵基超導體電導率變化之謎,源於電子軌道切換現象

2021-02-15 客觀日本

本文根據大阪大學成果發布資料編譯整理而成。

日本的大阪大學研究生院基礎工學研究科的細井優助教、東京大學研究生院新領域創成科學研究科的芝內孝禎教授、東北大學研究生院理學研究科的青山拓也助教和大串研也教授等人組成的研究團隊，與東北大學金屬材料研究所的研究團隊合作，研究梯子結構的鐵基超導體硫化鐵化合物BaFe2S3發現，此前一直不清楚原因的電導率略微增加的現象源於從一個電子軌道切換為另一個電子軌道的「軌道切換」現象。

2008年日本發現了鐵基高溫超導體，現在業界仍在大力研究其形成超導的原理，電子的磁性和軌道被認為對解開這個謎團至關重要。除高溫超導外，電子的磁性和軌道還會形成磁序及軌道序等各種新的量子現象。此次研究著眼於鐵基高溫超導體中的硫化鐵化合物BaFe2S3，該化合物的結構特點是，鐵原子沿直線排成兩排，呈梯子狀。有研究顯示，這種物質電子之間的相互作用非常強，電導率本來接近於絕緣體，但施加壓力後會變成金屬，產生高溫超導性。BaFe2S3在-90℃左右的溫度下會出現電導率提高的跡象，表明電子狀態發生了某些變化。不過，無論磁性還是晶體結構都沒有明顯的變化，因此，雖然推測其電子的軌道狀態發生了某些變化，但並不清楚是為什麼。

細井助教等人的研究團隊詳細調查了向各個方向施加磁場，以及使物質變形時的響應。由此發現，在存在未知電子狀態變化的區域，對磁場的方向和應變的響應會變小，說明電子狀態發生了變化。另外還通過這種現象發現，本來像鐵陣列一樣向梯子腿方向延伸的電子軌道，逐漸切換成了也向其垂直方向延伸的四葉草型電子軌道（圖1）。這應該也可以解釋電導率為何會提高，因為通過這種軌道切換，電子軌道的空間擴展，會使電導率提高。

圖1：此次明確的梯子型超導體的軌道切換現象示意圖。

該研究成果表明，隨著電子軌道的切換，材料的物理特性會發生改變。在現代社會，智慧型手機和個人電腦等已經成為不可或缺的電子產品，但主要還是利用電子的電荷和磁特性。此次研究發現了軌道切換的存在，今後有望通過控制電子的軌道來設計新的功能性產品。

【論文信息】
題目：Dichotomy Between Orbital and Magnetic Nematic Instabilities in BaFe2S3
期刊：Physical Review Research
URL：journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.2.043293


編譯：JST客觀日本編輯部

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