🔬 física

Direct real-space imaging of sign-reversal superconducting state by scanning Josephson tunneling

Mediante el uso de microscopía de túnel Josephson de barrido, los investigadores imágenes directamente modulaciones periódicas de media celda unidad en películas monocapa de Fe(Te,Se) que confirman una simetría de apareamiento de onda d sin nodos con inversión de signo, superando limitaciones previas en la determinación de los complejos mecanismos de apareamiento en los superconductores basados en hierro.

Autores originales: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

Publicado 2026-10-30

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CC BY 4.0

Autores originales: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

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En el corazón de los materiales más misteriosos de la física subyace una pregunta sencilla: ¿cómo se emparejan los electrones para fluir sin resistencia? En muchos superconductores de alta temperatura, estos pares no son gemelos idénticos; son más bien como compañeros que se mueven en direcciones opuestas, un estado conocido como inversión de signo. Determinar la forma exacta de esta asociación, o su simetría, es crucial porque revela las fuerzas ocultas que unen a los electrones. Durante décadas, los científicos han dependido de experimentos a gran escala para conjeturar estas formas, pero estos métodos suelen desdibujar los detalles finos, de forma muy parecida a intentar leer un libro desde una milla de distancia. El desafío ha sido particularmente agudo para los superconductores basados en hierro, una poderosa familia de materiales donde las reglas de emparejamiento son complejas y las señales suelen estar emborronadas por la presencia de múltiples tipos de electrones.

Un equipo de investigadores ha abordado ahora este problema con un microscopio tan potente que puede ver átomos individuales, ofreciendo una visión directa de cómo se comportan estos pares de electrones. Mediante el uso de una técnica especializada llamada microscopía de túnel Josephson de barrido, mapearon el estado superconductor de una sola capa de material basado en hierro cultivada sobre una superficie de cristal. En lugar de ver un brillo uniforme de superconductividad, encontraron un llamativo patrón de puntos claros y oscuros que se repetía cada medio átomo. Lo más importante es que descubrieron que la señal de los pares de electrones desaparecía por completo a lo largo de líneas específicas que conectan los átomos. Esta "línea cero" no es un defecto o un hueco en el material, sino una firma fundamental de los pares de electrones cancelándose entre sí. Los hallazgos sugieren fuertemente que los electrones en este material están emparejados en un patrón específico de inversión de signo conocido como d-wave sin nodos, una forma que había sido teorizada pero nunca visualizada directamente de esta manera.

La historia comienza con un material que ha desconcertado a los científicos durante años: una sola capa de hierro, telurio y selenio, de un solo átomo de espesor, situada sobre una superficie de titanato de estroncio. Esta película es famosa por convertirse en un superconductor a temperaturas relativamente altas, aunque su estructura interna sigue siendo objeto de intenso debate. Para entender qué está sucediendo en su interior, los investigadores necesitaban una herramienta que pudiera sondear la fase cuántica de los pares de electrones, una propiedad que determina cómo se mueven e interactúan. Recurrieron a un microscopio de túnel de barrido equipado con una punta recubierta de plomo, un superconductor convencional. Mientras esta punta superconductora planea justo por encima de la película basada en hierro, forma un puente microscópico, permitiendo que los pares de electrones atraviesen la brecha mediante efecto túnel. La fuerza de esta corriente de túnel depende de cómo se alinean las fases de los pares de electrones en la punta y en la película.

Los investigadores no se limitaron a medir la corriente en un solo punto; escanearon la punta a través de la superficie, átomo por átomo, registrando la fuerza de la señal de túnel en cada ubicación. Lo que encontraron fue un paisaje de contraste dramático. La señal era más fuerte en los puntos medios entre los átomos de hierro vecinos, pero a medida que la punta se movía hacia las líneas que conectan los átomos de hierro más cercanos, la señal caía drásticamente. De hecho, a lo largo de estas líneas diagonales, la corriente de túnel casi desaparecía por completo. Esta es una observación profunda porque la distancia entre estos puntos es increíblemente pequeña, mucho más pequeña que el tamaño típico de una región superconductora. Si el material fuera simplemente desigual o si la superconductividad fuera irregular, la señal no desaparecería de forma tan precisa a lo largo de estas líneas geométricas específicas. La desaparición de la señal indica que los pares de electrones en un lado de la línea están perfectamente desfasados con los del otro lado, lo que provoca que se cancelen entre sí mediante interferencia destructiva.

Esta cancelación es la prueba irrefutable de un tipo específico de simetría de emparejamiento. En el lenguaje de la mecánica cuántica, los investigadores descubrieron que los pares de electrones cambian su signo cuando se reflejan a través de estas líneas diagonales. Este comportamiento coincide con la predicción teórica para un estado d-wave sin nodos, donde la función de emparejamiento tiene una forma específica que invierte su signo bajo ciertas rotaciones y reflexiones. El equipo confirmó que este patrón no es un artefacto de su equipo o de la composición específica del material mediante la prueba de otros superconductores. Cuando realizaron el mismo experimento en un superconductor convencional hecho de plomo, la señal se mantuvo uniforme, sin mostrar tal cancelación. Cuando observaron una versión masiva del material basado en hierro, que es conocido por tener una estructura de emparejamiento diferente, la señal también fue uniforme. Sin embargo, cuando probaron una película diferente basada en hierro y un famoso superconductor basado en cobre, ambos conocidos por tener simetría d-wave, vieron la misma señal evanescente a lo largo de las líneas diagonales.

Los resultados proporcionan una imagen clara, en el espacio real, del estado superconductor en estas películas basadas en hierro. Los investigadores argumentan que los pares de electrones en este material de capa única no siguen el patrón simple y uniforme visto en muchos otros superconductores basados en hierro. En su lugar, están atrapados en una danza compleja de inversión de signo que crea estas líneas de señal cero. Este hallazgo respalda la idea de que la superconductividad de alta temperatura en estas películas surge de un tipo específico de emparejamiento que anteriormente era solo una hipótesis. Al visualizar la interferencia de los pares de electrones directamente en la escala atómica, el estudio ofrece una nueva forma de comprender los mecanismos detrás de la superconductividad. Sugiere que la clave para desbloquear los secretos de estos materiales reside en observar las sutiles cancelaciones y alineaciones de los pares de electrones justo donde habitan, en lugar de promediarlos sobre un área extensa. El trabajo abre un camino para explorar otros superconductores exóticos con este mismo nivel de detalle, revelando potencialmente las reglas ocultas que gobiernan cómo la materia conduce la electricidad sin pérdida.

Resumen Técnico: Imagen Directa en el Espacio Real del Estado Superconductor de Inversión de Signo mediante Tunelamiento de Josephson por Escaneo

Problema y Motivación
Determinar la simetría de apareamiento superconductor es un paso fundamental para identificar el mecanismo de la superconductividad no convencional de alta temperatura. Si bien los experimentos de tunelamiento de Josephson sensibles a la fase han establecido con éxito la simetría de onda $d$ en los cupratos de alta $T_c$ , la aplicación de estos métodos a los superconductores basados en hierro (FeSCs) ha resultado difícil. En los FeSCs, la complejidad de las simetrías de apareamiento multibanda y los desafíos en la fabricación de uniones de Josephson macroscópicas de alta calidad y homogéneas han limitado los estudios sensibles a la fase, particularmente para sistemas fuertemente dopados como las películas monocapa de FeSe y Fe(Te,Se) crecidas sobre SrTiO $_3$ (STO). Estas películas monocapa específicas poseen únicamente bolsas de Fermi electrónicas y exhiben las temperaturas de transición más altas entre los FeSCs, aunque su simetría de apareamiento sigue siendo objeto de debate, con candidatos que van desde la onda $s$ hasta la onda $d$ con inversión de signo. Los experimentos de tunelamiento tradicionales carecen de la resolución espacial y de momento necesaria para distinguir inequívocamente entre estos candidatos en tales sistemas multibanda.

Metodología
Para abordar estas limitaciones, los autores emplearon la Microscopía de Tunelamiento de Josephson por Escaneo (SJTM), una técnica que utiliza una punta superconductora para formar una unión de Josephson microscópica y espacialmente sintonizable con la muestra. A diferencia de las uniones macroscópicas, la SJTM evita los problemas de inhomogeneidad y ofrece una resolución espacial subatómica. Los experimentos se realizaron en películas de alta calidad de espesor de una unidad de celda (1-UC) de Fe(Te,Se)/STO crecidas mediante la deposición de capas moleculares (MBE). Las mediciones se llevaron a cabo a temperaturas ultrabajas (por debajo de 150 mK) utilizando una punta de PtIr recubierta de Pb (simetría de onda $s$ ).

El estudio se centró en medir la conductancia de tunelamiento de Josephson de sesgo cero ( $g_J$ ), que es proporcional al cuadrado de la corriente crítica de Josephson ( $I_c^2$ ). Al escanear la punta a través de la red atómica, los autores mapearon la distribución espacial de $g_J$ y la compararon con los espectros de tunelamiento de partícula única y la topografía atómica. Para validar la robustez de la técnica, se realizaron mediciones similares en un conjunto diverso de muestras de control: FeSe/STO monocapa, Fe(Te,Se) masivo, un film de Pb de onda $s$ convencional sobre Si(111) y el cuprato de alta $T_c$ Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ .

Resultados Clave

Modulaciones Periódicas de Media Unidad de Celda: En la película de 1-UC de Fe(Te,Se)/STO, la señal de tunelamiento de Josephson ( $g_J$ ) exhibió una modulación espacial distintiva con un periodo de la mitad de la constante de red ( $a_{Te/Se}/2$ ). La señal se maximizó en los puntos medios de los enlaces Fe-Fe de vecinos más cercanos, pero casi desapareció a lo largo de las líneas que conectan los átomos de Fe de vecinos de segundo orden.
Líneas de Cero Protegidas por Simetría: Las líneas de $g_J$ nulo coincidieron precisamente con los planos de espejo diagonales ( $m_d$ ) de la red cristalina. Este fenómeno de "línea de cero" se observó consistentemente en diferentes condiciones de configuración y con diferentes puntas, lo que indica que es una propiedad intrínseca del estado superconductor.
Contraste con las Muestras de Control:
- Monocapa de FeSe/STO: Mostró modulaciones similares de media unidad de celda con líneas de cero, lo que sugiere una simetría de apareamiento universal para los FeSCs monocapa fuertemente dopados con electrones.
- Cuprato Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ : Presentó modulaciones análogas con líneas de cero a lo largo de las líneas diagonales de Cu-Cu, consistentes con su conocida simetría de onda $d_{x^2-y^2}$ .
- Fe(Te,Se) Masivo y Pb/Si(111): Ambos superconductores de onda $s$ convencionales (Fe(Te,Se) masivo con simetría $s_{\pm}$ y Pb con onda $s$ simple) exhibieron mapas de $g_J$ relativamente uniformes sin modulaciones de sub-unidad de celda ni líneas de cero.
Espectros de Partícula Única: Los espectros de tunelamiento de partícula única medidos con una punta metálica revelaron un gap superconductor completamente abierto (>10 meV) en todas las posiciones atómicas, descartando la posibilidad de que las líneas de cero en $g_J$ fueran causadas por cierres locales del gap o por una densidad de superfluidez inhomogénea.

Interpretación y Análisis Teórico
Los autores interpretan la desaparición de $g_J$ a lo largo de las líneas de espejo diagonales como el resultado de la interferencia cuántica destructiva entre los canales de tunelamiento de Josephson originados en diferentes bolsas de Fermi. Dado que la punta es un superconductor de onda $s$ , la simetría de la corriente crítica $I_c$ está determinada por la función de apareamiento de la muestra.

La observación de que $I_c$ cambia de signo bajo la reflexión de espejo diagonal ( $\sigma_d$ ) pero permanece par bajo la reflexión de espejo vertical ( $\sigma_v$ ) es matemáticamente consistente con una simetría de apareamiento de onda $d$ sin nodos (específicamente la representación $B_{2g}$ ).
En este escenario, los parámetros de orden superconductor en las dos bolsas de Fermi de electrones (derivados de los orbitales $xz/xy $y$ yz/xy$) tienen signos opuestos. Cuando la punta se posiciona en el plano de espejo diagonal, las amplitudes de tunelamiento de estas dos bolsas interfieren destructivamente, llevando la corriente crítica neta a cero.
Los cálculos teóricos basados en modelos de red de tight-binding y análisis de simetría confirmaron que solo el estado de onda $d$ sin nodos reproduce el patrón de modulación de sub-unidad de celda y las líneas de cero observados. Se demostró que los escenarios de $s_{\pm}$ extendida o de onda $s$ simple son inconsistentes con los datos, ya que carecen de la protección de simetría necesaria para crear tales líneas de cero.

Significancia
El artículo afirma proporcionar la primera visualización microscópica en el espacio real de la superconductividad con inversión de signo en un superconductor basado en hierro monocapa. Al demostrar que la SJTM puede resolver información de fase de sub-unidad de celda y distinguir entre simetrías de onda $d$ y onda $s$ a escala atómica, este trabajo ofrece un enfoque experimental sensible a la fase y robusto que no requiere la fabricación de uniones macroscópicas complejas. Esta técnica se presenta como un método viable para investigar los mecanismos de apareamiento en otros sistemas superconductores no convencionales, incluyendo FeSCs fuertemente dopados, cupratos, sistemas de fermiones pesados y superconductores de moiré. Los hallazgos respaldan la predicción teórica de que los FeSCs monocapa fuertemente dopados con electrones albergan un estado de apareamiento de onda $d$ sin nodos, distinto del estado $s_{\pm}$ encontrado en sus contrapartes masivas.

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