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Field-induced incipient spin-density phase stabilized inside the nematic phase of FeSe $_{1-x}$ S $_x$

Este estudio demuestra que la aplicación de campos magnéticos elevados a FeSe $_{1-x}$ S $_x$ estabiliza una fase incipiente de onda de densidad de espín dentro del estado nemático, evidenciada por incrementos en la resistividad y oscilaciones cuánticas, revelando que el debilitamiento de la nematicidad promueve la emergencia del orden de onda de densidad de espín y el mecanismo de apareamiento superconductor dominante en los calcogenuros de hierro.

Autores originales: I. Paulescu, R. M. Abedin, J. S. Pearce, W. H. Fong, Z. Zajicek, A. Morfoot, W. Knafo, O. Squire, D. Graf, A. A. Haghighirad, A. I. Coldea

Publicado 2026-09-24

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CC BY 4.0

Autores originales: I. Paulescu, R. M. Abedin, J. S. Pearce, W. H. Fong, Z. Zajicek, A. Morfoot, W. Knafo, O. Squire, D. Graf, A. A. Haghighirad, A. I. Coldea

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En el mundo de la ciencia de materiales, algunas sustancias albergan una tensión secreta entre dos formas diferentes de organizar sus átomos y electrones. Una es un orden magnético, donde diminutos imanes atómicos se alinean en un patrón rígido y repetitivo. La otra es un estado superconductor, un fenómeno donde la electricidad fluye con resistencia cero, lo cual suele requerir que estas tendencias magnéticas se silencien. Durante décadas, los científicos han estudiado los superconductores basados en hierro para comprender cómo estos dos estados compiten y, a veces, coexisten. Un concepto clave en este campo es la "nematicidad", un estado en el que los electrones se comportan de manera diferente según la dirección en la que se mueven, rompiendo la simetría de la estructura del material sin necesidad de formar un patrón magnético. En muchos de estos materiales, aplicar presión o cambiar la composición química puede empujar al sistema de un estado nemático a uno magnético, o viceversa. Comprender exactamente cómo y cuándo ocurren estas transiciones es crucial porque se cree que las fluctuaciones entre estos estados son el pegamento mismo que mantiene unidos a los pares superconductores, permitiendo que la electricidad fluya sin pérdida.

Un equipo de investigadores ha descubierto ahora una fase delicada y oculta dentro de uno de estos materiales basados en hierro, un compuesto formado por hierro, selenio y azufre. Al someter los cristales de este material a campos magnéticos increíblemente fuertes, lograron suprimir la superconductividad que normalmente oculta el comportamiento electrónico subyacente. Lo que encontraron fue sorprendente: incluso dentro del estado nemático, donde no se esperaba un orden magnético, apareció un tenue y emergente patrón magnético. Este patrón, conocido como onda de densidad de espín, es un estado en el que los espines de los electrones se organizan en una estructura de tipo ondulatorio. Los investigadores descubrieron que este orden magnético es frágil; solo se vuelve visible cuando la superconductividad es eliminada por un campo magnético de hasta 68 teslas, una fuerza aproximadamente un millón de veces superior a la de un imán de nevera típico.

El material que estudiaron, FeSe1−xSx, es una solución sólida donde algunos átomos de selenio son reemplazados por azufre. La cantidad de azufre actúa como un control de sintonización, cambiando las propiedades del material. El equipo se centró en muestras con diferentes niveles de azufre, específicamente cerca del límite donde termina la fase nemática. En ausencia de un campo magnético, estas muestras son superconductoras a bajas temperaturas. Sin embargo, a medida que los investigadores aumentaban el campo magnético, la superconductividad desaparecía y algo más tomaba su lugar. La resistencia eléctrica del material, que normalmente disminuye a medida que se enfría, de repente comenzó a aumentar bruscamente en una temperatura específica. Este repunte en la resistencia es una señal clásica de que un material está transitando hacia un estado aislante o magnético, lo que sugiere que los electrones se estaban organizando en un nuevo patrón ordenado.

Para confirmar que esto era de hecho un orden magnético y no solo un error aleatorio, el equipo utilizó diversas técnicas de medición. Monitorearon la frecuencia de un diminuto oscilador electrónico, que es sensible a los cambios en cómo fluye la electricidad a través del material, y midieron el torque, o fuerza de torsión, ejercida sobre el cristal por el campo magnético. Todos estos diferentes métodos apuntaban a la misma conclusión: a una temperatura específica, el material experimentó una transición. Los electrones se estaban reorganizando, creando una nueva estructura que alteraba la forma en que el material conducía la electricidad. Además, los investigadores observaron oscilaciones cuánticas, que son ondulaciones en la resistencia eléctrica que ocurren cuando los electrones se mueven en trayectorias circulares dentro de un campo magnético. La frecuencia de estas ondulaciones reveló que los electrones estaban confinados en bolsas muy pequeñas, un signo de que la estructura electrónica original, más grande, había sido reconstruida por el nuevo orden magnético.

Para asegurar que esto no fuera simplemente una peculiaridad de las muestras dopadas con azufre, el equipo comparó sus hallazgos con una versión diferente del mismo material. Tomaron una muestra con muy poco azufre y la sometieron a alta presión, lo que imita el efecto de añadir azufre pero lo hace comprimiendo físicamente la red cristalina. Bajo esta presión, el mismo orden magnético apareció, pero esta vez era estable y visible incluso sin un campo magnético. Esta comparación directa confirmó que el orden magnético observado en las muestras dopadas con azufre era una propiedad real e intrínseca del material, una que simplemente estaba siendo enmascarada por la superconductividad bajo condiciones normales. Los investigadores encontraron que el orden magnético en las muestras dopadas con azufre era mucho más débil y sensible al campo magnético que en la muestra presurizada, describiéndolo como una fase "incipiente" o emergente.

Las implicaciones de este descubrimiento son significativas para entender cómo funcionan estos materiales. El estudio muestra que el orden magnético y el estado nemático pueden coexistir, con el orden magnético escondiéndose justo debajo de la superficie del estado superconductor. Al debilitar el estado nemático mediante la sustitución química o la presión, el orden magnético se vuelve más estable. Esto sugiere que la competencia entre estos diferentes fases electrónicas es un equilibrio delicado. El hecho de que el orden magnético pueda ser revelado por un campo magnético implica que siempre está presente pero es suprimido por la superconductividad. Este hallazgo ayuda a mapear el complejo diagrama de fases de los superconductores basados en hierro, mostrando que el camino hacia la comprensión de la superconductividad de alta temperatura implica navegar por un paisaje donde el magnetismo y la superconductividad compiten constantemente por el dominio. El trabajo ofrece una imagen más clara de cómo se comportan estos materiales bajo condiciones extremas, aportando nuevas pistas sobre los mecanismos fundamentales que permiten que la electricidad fluya sin resistencia.

Resumen Técnico: Fase de Densidad de Espín Incipiente Inducida por Campo en FeSe $_{1-x}$ S $_x$

Planteamiento del Problema
En los superconductores basados en hierro, el orden de onda de densidad de espín (SDW) y la superconductividad frecuentemente compiten y coexisten. Mientras que los pnicturos de hierro suelen exhibir un orden SDW de tipo banda conectado con el anidamiento de la superficie de Fermi, los calcogenuros de hierro como el FeSe presentan un paisaje magnético más frustrado. A presión ambiente, el FeSe muestra un estado electrónico nemático sin orden magnético estático de largo alcance, aunque diversas configuraciones magnéticas permanecen cerca en energía. Estudios previos han demostrado que la aplicación de presión hidrostática al FeSe puede suprimir la fase nemática y estabilizar una fase SDW, lo que posteriormente permite que la superconductividad reemerja a temperaturas más altas. Sin embargo, la interacción entre la nematicidad, el orden magnético y la superconductividad en el sistema FeSe $_{1-x}$ S $_x$ , particularmente cerca del punto final nemático ( $x \approx 0.175$ ), sigue siendo compleja. Específicamente, no está claro si una fase SDW puede estabilizarse dentro de la fase nemática de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ mediante sustitución química por sí sola, o si dicho orden es solo accesible bajo alta presión. Además, la naturaleza de este orden magnético —ya sea un estado fundamental robusto o una fase "incipiente" frágil y sensible a perturbaciones externas— requiere aclaración.

Metodología
El estudio emplea un enfoque experimental multifacético para sondear el estado fundamental electrónico de monocristales de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ bajo diversas condiciones:

Ajuste de la Muestra: Los investigadores utilizaron la sustitución química (variando el contenido de azufre $x$ de $\sim0.13$ a $\sim0.17$ ) y aplicaron presión hidrostática (hasta $\sim12$ kbar) para ajustar la temperatura de transición nemática ( $T_s$ ) y suprimir la fase nemática. Se realizó una comparación directa entre muestras con sustitución química a presión ambiente y un análogo ajustado por presión (FeSe $_{0.96}$ S $_{0.04}$ ).
Magnetotransporte de Alto Campo: Se midió la resistividad longitudinal ( $\rho_{xx}$ ) en campos magnéticos de hasta 68 T (campo pulsado) y 41 T (imán resistivo) para suprimir la superconductividad y revelar órdenes electrónicos subyacentes.
Oscilador de Diodo Túnel (TDO): Se realizaron mediciones de TDO sin contacto para monitorear cambios en la resistividad en el plano y la susceptibilidad magnética, proporcionando una sonda sensible para las transiciones de fase.
Torque Magnético: Se llevaron a cabo mediciones de anisotropía de torque para detectar cambios en la susceptibilidad magnética ( $\chi_a - \chi_c$ ) e identificar el ordenamiento magnético.
Oscilaciones Cuánticas: Las mediciones de alto campo fueron analizadas para extraer la topología de la superficie de Fermi, las masas efectivas y las frecuencias de oscilación, sirviendo como una sonda directa de la reconstrucción de la superficie de Fermi.

Resultados Clave

Incrementos de Resistividad Inducidos por Campo: En la fase B nemática de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ (específicamente en muestras con $x \sim 0.13$ y $x \sim 0.17$ ), la superconductividad se suprime en campos superiores a 5 T. Al aumentar más el campo, emerge un pronunciado incremento en la resistividad en una temperatura característica $T_{MI}$ . Este incremento significa una transición de un comportamiento de tipo metálico a uno de tipo aislante, desplazándose hacia temperaturas más bajas conforme aumenta el campo magnético.
Anomalías Correlacionadas: Los incrementos de la resistividad están acompañados de anomalías distintivas en la frecuencia de resonancia del TDO y en la anisotropía del torque magnético. Estas características aparecen en temperaturas similares ( $T_p$ y $T_\tau$ ), lo que indica un orden electrónico intrínseco inducido por campo que afecta tanto al transporte como a las propiedades magnéticas.
Oscilaciones Cuánticas y Reconstrucción de la Superficie de Fermi: Se observaron oscilaciones cuánticas de baja frecuencia dominantes en el estado normal de alto campo. Para las muestras con sustitución química, se detectó una frecuencia de $F \sim 83$ T con una masa efectiva ligera ( $m^* \approx 1.53 m_e$ ). Esto corresponde a una bolsa de la superficie de Fermi pequeña y reconstruida, consistente con la formación de un orden SDW que genera brechas en porciones de la superficie de Fermi.
Comparación con el Análogo Ajustado por Presión: La comparación directa con FeSe $_{0.96}$ S $_{0.04}$ bajo presión hidrostática ( $p \sim 10.5$ kbar) reveló firmas similares: un incremento de la resistividad que define una fase SDW, anomalías de TDO y oscilaciones cuánticas de baja frecuencia ( $F \sim 70$ T). Sin embargo, la muestra ajustada por presión exhibió una fase SDW más robusta, estable a campo cero, mientras que las muestras con sustitución química requirieron campos magnéticos altos para revelar el orden.
Escalas de Energía: La energía de activación ( $\Delta_m$ ) derivada del incremento de la resistividad en las muestras con sustitución química es aproximadamente un orden de magnitud menor ( $\sim 0.2 - 0.5$ meV) que en la muestra ajustada por presión. Esto sugiere que el orden SDW en las muestras con sustitución química es "incipiente" y altamente sensible a los campos magnéticos.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma proporcionar evidencia de una fase SDW incipiente inducida por campo estabilizada dentro del estado nemático de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ . Los autores demuestran que, al debilitar la nematicidad mediante la sustitución química o la presión aplicada, el sistema se vuelve susceptible al ordenamiento SDW.

Mecanismo: Los hallazgos sugieren que el orden SDW no es una inestabilidad competitiva que destruye completamente la superconductividad, sino más bien un estado frágil que puede coexistir con o emerger de la fase nemática cuando la superconductividad es suprimida por campos magnéticos.
Reconstrucción Electrónica: La observación de pequeñas bolsas de la superficie de Fermi mediante oscilaciones cuánticas confirma que el orden inducido por campo reconstruye la estructura electrónica, lo cual es consistente con la formación de un SDW impulsado por el anidamiento de la superficie de Fermi.
Implicaciones para el Emparejamiento: Los autores postulan que la estabilización de órdenes SDW (y las fluctuaciones de espín asociadas) mediante el debilitamiento de la nematicidad puede promover el mecanismo de emparejamiento superconductor dominante en los calcogenuros de hierro. La coexistencia de un SDW incipiente y la superconductividad podría influir en la naturaleza del gap superconductor y potencialmente apoyar escenarios que involucren superficies de Fermi de Bogoliubov o orden magnético toroidal.
Generalizabilidad: El estudio destaca que los límites del diagrama de fases en FeSe $_{1-x}$ S $_x$ son ajustables, y que la naturaleza "incipiente" del orden SDW lo convierte en una sonda sensible para comprender la competencia entre nematicidad, magnetismo y superconductividad en superconductores no convencionales.

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