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

Cette étude démontre que l'application de champs magnétiques élevés à FeSe $_{1-x}$ S $_x$ stabilise une phase d'onde de densité de spin naissante au sein de l'état nématique, comme en témoignent les remontées de résistivité et les oscillations quantiques, révélant que l'affaiblissement de la nématicité favorise l'émergence de l'ordre SDW et le mécanisme de couplage supraconducteur dominant dans les chalcogénures de fer.

Auteurs originaux : 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

Publié 2026-09-24

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : 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

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Dans le monde de la science des matériaux, certaines substances détiennent une tension secrète entre deux manières différentes d'organiser leurs atomes et leurs électrons. L'une est un ordre magnétique, où de minuscules aimants atomiques s'alignent selon un motif répétitif et rigide. L'autre est un état supraconducteur, un état où l'électricité circule avec une résistance nulle, un phénomène qui nécessite généralement que ces tendances magnétiques soient calmées. Pendant des décennies, les scientifiques ont étudié les supraconducteurs à base de fer pour comprendre comment ces deux états entrent en compétition et coexistent parfois. Un concept clé dans ce domaine est la « nématiqueité », un état où les électrons se comportent différemment selon la direction dans laquelle ils se déplacent, brisant la symétrie de la structure du matériau sans nécessairement former un motif magnétique. Dans beaucoup de ces matériaux, l'application d'une pression ou la modification de la composition chimique peut pousser le système d'un état nématique vers un état magnétique, ou vice versa. Comprendre exactement comment et quand ces transitions se produisent est crucial car les fluctuations entre ces états sont censées être la colle même qui maintient ensemble les paires supraconductrices, permettant à l'électricité de circuler sans perte.

Une équipe de chercheurs a maintenant découvert une phase délicate et cachée au sein de l'un de ces matériaux supraconducteurs à base de fer, un composé composé de fer, de sélénium et de soufre. En soumettant des cristaux de ce matériau à des champs magnétiques incroyablement puissants, ils ont pu supprimer la supraconductivité qui cache habituellement le comportement électronique sous-jacent. Ce qu'ils ont découvert est surprenant : même à l'intérieur de l'état nématique, où aucun ordre magnétique n'était attendu, un faible motif magnétique émergent est apparu. Ce motif, connu sous le nom d'onde de densité de spin, est un état où les spins des électrons s'organisent selon une structure ondulatoire. Les chercheurs ont découvert que cet ordre magnétique est fragile ; il ne devient visible que lorsque l'état supraconducteur est évincé par un champ magnétique allant jusqu'à 68 teslas, une intensité environ un million de fois supérieure à celle d'un aimant de réfrigérateur typique.

Le matériau qu'ils ont étudié, le FeSe₁₋ₓSₓ, est une solution solide où certains atomes de sélénium sont remplacés par du soufre. La quantité de soufre agit comme un bouton de réglage, modifiant les propriétés du matériau. L'équipe s'est concentrée sur des échantillons présentant différents niveaux de soufre, spécifiquement près de la limite où la phase nématique se termine. En l'absence de champ magnétique, ces échantillons sont des supraconducteurs à basses températures. Cependant, à mesure que les chercheurs augmentaient le champ magnétique, la supraconductivité disparaissait, et quelque chose d'autre prenait sa place. La résistance électrique du matériau, qui diminue habituellement lorsqu'il refroidit, commençait soudainement à augmenter brusquement à une température spécifique. Cette hausse de la résistance est la signature classique d'un matériau transitant vers un état isolant ou magnétique, suggérant que les électrons s'organisaient eux-mêmes en un nouveau motif ordonné.

Pour confirmer qu'il s'agissait bien d'un ordre magnétique et non d'un simple bug aléatoire, l'équipe a utilisé plusieurs techniques de mesure différentes. Ils ont surveillé la fréquence d'un minuscule oscillateur électronique, qui est sensible aux changements de la façon dont l'électricité circule à travers le matériau, et ils ont mesuré le couple, ou force de torsion, exercé sur le cristal par le champ magnétique. Toutes ces différentes méthodes pointaient vers la même conclusion : à une température spécifique, le matériau a subi une transition. Les électrons se réorganisaient, créant une nouvelle structure qui modifiait la façon dont le matériau conduisait l'électricité. De plus, les chercheurs ont observé des oscillations quantiques, qui sont des ondulations dans la résistance électrique se produisant lorsque les électrons se déplacent sur des trajectoires circulaires au sein d'un champ magnétique. La fréquence de ces ondulations a révélé que les électrons étaient confinés dans de très petites poches, un signe que la structure électronique originale, plus large, avait été reconstruite par le nouvel ordre magnétique.

Pour s'assurer qu'il ne s'agissait pas seulement d'une particularité des échantillons dopés au soufre, l'équipe a comparé ses résultats avec une version différente du même matériau. Ils ont pris un échantillon contenant très peu de soufre et l'ont comprimé avec une pression élevée, ce qui imite l'effet de l'ajout de soufre mais en compressant physiquement le réseau cristallin. Sous cette pression, le même ordre magnétique est apparu, mais cette fois-ci, il était stable et visible même sans champ magnétique. Cette comparaison directe a confirmé que l'ordre magnétique observé dans les échantillons dopés au soufre était une propriété réelle et intrinsèque du matériau, qui était simplement masquée par la supraconductivité dans des conditions normales. Les chercheurs ont constaté que l'ordre magnétique dans les échantillons dopés au soufre était beaucoup plus faible et plus sensible au champ magnétique que dans l'échantillon sous pression, le décrivant comme une phase « incipiente » ou émergente.

Les implications de cette découverte sont significatives pour la compréhension du fonctionnement de ces matériaux. L'étude montre que l'ordre magnétique et l'état nématique peuvent coexister, l'ordre magnétique se cachant juste sous la surface de l'état supraconducteur. En affaiblissant l'état nématique par substitution chimique ou par pression, l'ordre magnétique devient plus stable. Cela suggère que la compétition entre ces différents phases électroniques est un équilibre délicat. Le fait que l'ordre magnétique puisse être révélé par un champ magnétique implique qu'il est toujours présent mais supprimé par la supraconductivité. Cette découverte aide à cartographier le diagramme de phase complexe des supraconducteurs à base de fer, montrant que le chemin vers la compréhension de la supraconductivité à haute température passe par la navigation dans un paysage où le magnétisme et la supraconductivité se disputent constamment la domination. Ces travaux offrent une image plus claire de la manière dont ces matériaux se comportent dans des conditions extrêmes, apportant de nouveaux indices sur les mécanismes fondamentaux qui permettent à l'électricité de circuler sans résistance.

Résumé Technique : Phase de densité de spin incipiente induite par champ dans FeSe $_{1-x}$ S $_x$

Problématique
Dans les supraconducteurs à base de fer, l'ordre d'onde de densité de spin (SDW) et la supraconductivité entrent fréquemment en compétition et coexistent. Alors que les pnictures de fer présentent typiquement un ordre SDW de type stripe connecté au nesting de la surface de Fermi, les chalcogénures de fer comme le FeSe présentent un paysage magnétique plus frustré. À pression ambiante, le FeSe affiche un état électronique nématique sans ordre magnétique statique à longue distance, bien que plusieurs configurations magnétiques restent proches en énergie. Des études antérieures ont montré que l'application d'une pression hydrostatique sur le FeSe peut supprimer la phase nématique et stabiliser une phase SDW, ce qui permet ensuite à la supraconductivité de réémerger à des températures plus élevées. Cependant, l'interaction entre la nématicité, l'ordre magnétique et la supraconductivité dans le système FeSe $_{1-x}$ S $_x$ , particulièrement près du point final nématique ( $x \approx 0,175$ ), reste complexe. Plus précisément, il n'est pas clair si une phase SDW peut être stabilisée au sein de la phase nématique de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ par la seule substitution chimique, ou si un tel ordre n'est accessible que sous haute pression. De plus, la nature de cet ordre magnétique — qu'il s'agisse d'un état fondamental robuste ou d'une phase « incipiente » fragile et sensible aux perturbations externes — nécessite d'être clarifiée.

Méthodologie
L'étude emploie une approche expérimentale multidimensionnelle pour sonder l'état fondamental électronique des monocristaux de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ sous diverses conditions :

Ajustement des échantillons : Les chercheurs ont utilisé la substitution chimique (variation de la teneur en soufre $x$ de $\sim 0,13$ à $\sim 0,17$ ) et appliqué une pression hydrostatique (jusqu'à $\sim 12$ kbar) pour ajuster la température de transition nématique ( $T_s$ ) et supprimer la phase nématique. Une comparaison directe a été effectuée entre les échantillons substitués chimiquement à pression ambiante et un analogue ajusté par pression (FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ ).
Magnétotransport à haut champ : La résistivité longitudinale ( $\rho_{xx}$ ) a été mesurée dans des champs magnétiques allant jusqu'à 68 T (champ pulsé) et 41 T (aimant résistif) pour supprimer la supraconductivité et révéler les ordres électroniques sous-jacents.
Oscillateur à diode tunnel (TDO) : Des mesures TDO sans contact ont été réalisées pour surveiller les changements de résistivité en plan et de susceptibilité magnétique, fournissant une sonde sensible pour les transitions de phase.
Couple magnétique : Des mesures d'anisotropie de couple ont été conduites pour détecter les changements de susceptibilité magnétique ( $\chi_a - \chi_c$ ) et identifier l'ordre magnétique.
Oscillations quantiques : Les mesures à haut champ ont été analysées pour extraire la topologie de la surface de Fermi, les masses effectives et les fréquences d'oscillation, servant de sonde directe de la reconstruction de la surface de Fermi.

Résultats Clés

Rehaussements de résistivité induits par le champ : Dans la phase B nématique de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ (spécifiquement pour les échantillons avec $x \sim 0,13$ et $x \sim 0,17$ ), la supraconductivité est supprimée à des champs supérieurs à 5 T. Lors de l'augmentation ultérieure du champ, un rehaussement prononcé de la résistivité apparaît à une température caractéristique $T_{MI}$ . Ce rehaussement signifie un passage d'un comportement de type métallique à un comportement de type isolant, se déplaçant vers des températures plus basses à mesure que le champ magnétique augmente.
Anomalies corrélées : Les rehaussements de résistivité sont accompagnés d'anomalies distinctes dans la fréquence de résonance du TDO et l'anisotropie du couple magnétique. Ces caractéristiques apparaissent à des températures similaires ( $T_p$ et $T_\tau$ ), indiquant un ordre électronique intrinsèque induit par le champ qui affecte à la fois le transport et les propriétés magnétiques.
Oscillations quantiques et reconstruction de la surface de Fermi : Des oscillations quantiques dominantes à basse fréquence ont été observées dans l'état normal à haut champ. Pour les échantillons substitués chimiquement, une fréquence de $F \sim 83$ T a été détectée avec une masse effective légère ( $m^* \approx 1,53 m_e$ ). Cela correspond à une petite poche de surface de Fermi reconstruite, cohérente avec la formation d'un ordre SDW qui crée des gaps sur certaines parties de la surface de Fermi.
Comparaison avec l'analogue ajusté par pression : Une comparaison directe avec FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ sous pression hydrostatique ( $p \sim 10,5$ kbar) a révélé des signatures similaires : un rehaussement de résistivité définissant une phase SDW, des anomalies TDO et des oscillations quantiques à basse fréquence ( $F \sim 70$ T). Cependant, l'échantillon ajusté par pression présentait une phase SDW plus robuste, stable à champ nul, alors que les échantillons substitués chimiquement nécessitaient des champs magnétiques élevés pour révéler l'ordre.
Échelles d'énergie : L'énergie d'activation ( $\Delta_m$ ) dérivée du rehaussement de résistivité dans les échantillons substitués chimiquement est environ un ordre de grandeur plus petite ( $\sim 0,2 - 0,5$ meV) que dans l'échantillon ajusté par pression. Cela suggère que l'ordre SDW dans les échantillons substitués chimiquement est « incipient » et hautement sensible aux champs magnétiques.

Signification et Revendications
L'article affirme fournir la preuve d'une phase SDW incipiente induite par le champ stabilisée au sein de l'état nématique de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ . Les auteurs démontrent qu'en affaiblissant la nématicité par substitution chimique ou par pression appliquée, le système devient susceptible d'un ordonnancement SDW.

Mécanisme : Les résultats suggèrent que l'ordre SDW n'est pas une instabilité compétitive qui détruit complètement la supraconductivité, mais plutôt un état fragile qui peut coexister avec ou émerger de la phase nématique lorsque la supraconductivité est supprimée par les champs magnétiques.
Reconstruction électronique : L'observation de petites poches de surface de Fermi via les oscillations quantiques confirme que l'ordre induit par le champ reconstruit la structure électronique, ce qui est cohérent avec une formation de type SDW pilotée par le nesting de la surface de Fermi.
Implications pour l'appariement : Les auteurs postulent que la stabilisation des ordres SDW (et des fluctuations de spin associées) par l'affaiblissement de la nématicité peut favoriser le mécanisme d'appariement supraconducteur dominant dans les chalcogénures de fer. La coexistence de l'ordre SDW incipiente et de la supraconductivité pourrait influencer la nature du gap supraconducteur et potentiellement soutenir des scénarios impliquant des surfaces de Fermi de Bogoliubov ou un ordre magnétique toroïdal.
Généralisabilité : L'étude souligne que les limites du diagramme de phase dans FeSe $_{1-x}$ S $_x$ sont ajustables, et que la nature « incipiente » de l'ordre SDW en fait une sonde sensible pour comprendre la compétition entre nématicité, magnétisme et supraconductivité dans les supraconducteurs non conventionnels.

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