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

Questo studio dimostra che l'applicazione di campi magnetici elevati a FeSe $_{1-x}$ S $_x$ stabilizza una fase di onda di densità di spin incipiente all'interno dello stato nematico, come evidenziato da rialzi della resistività e oscillazioni quantistiche, rivelando che l'indebolimento della nematicità promuove l'emergere dell'ordine SDW e del meccanismo di accoppiamento superconduttore dominante nei calcogenuri di ferro.

Autori originali: 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

Pubblicato 2026-09-24

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CC BY 4.0

Autori originali: 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

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Nel mondo della scienza dei materiali, alcune sostanze custodiscono una tensione segreta tra due diversi modi di organizzare i loro atomi ed elettroni. Un modo è un ordine magnetico, dove piccoli magneti atomici si allineano in uno schema rigido e ripetitivo. L'altro è uno stato superconduttore, un fenomeno in cui l'elettricità scorre con resistenza zero, un fenomeno che solitamente richiede che queste tendenze magnetiche vengano fatte tacere. Per decenni, gli scienziati hanno studiato i superconduttori a base di ferro per capire come questi due stati competano e talvolta coesistano. Un concetto chiave in questo campo è la "nematicità", uno stato in cui gli elettroni si comportano diversamente a seconda della direzione in cui si muovono, rompendo la simmetria della struttura del materiale senza necessariamente formare un modello magnetico. In molti di questi materiali, applicare pressione o cambiare la composizione chimica può spingere il sistema da uno stato nematico a uno magnetico, o viceversa. Comprendere esattamente come e quando avvengono queste transizioni è fondamentale perché le fluttuazioni tra questi stati si crede siano la colla stessa che tiene insieme le coppie superconduttrici, permettendo all'elettricità di fluire senza perdite.

Un team di ricercatori ha ora scoperto una fase delicata e nascosta all'interno di uno di questi materiali a base di ferro, un composto fatto di ferro, selenio e zolfo. Sottoponendo i cristalli di questo materiale a campi magnetici incredibilmente forti, sono stati in grado di sopprimere la superconduttività che di solito nasconde il comportamento elettronico sottostante. Ciò che hanno trovato è stato sorprendente: anche all'interno dello stato nematico, dove non era previsto alcun ordine magnetico, è apparso un debole, emergente schema magnetico. Questo schema, noto come onda di densità di spin, è uno stato in cui gli spin degli elettroni si dispongono in una struttura a forma di onda. I ricercatori hanno scoperto che questo ordine magnetico è fragile; diventa visibile solo quando lo stato superconduttore viene eliminato da un campo magnetico di fino a 68 tesla, una forza circa un milione di volte superiore a quella di un tipico magnete da frigorifero.

Il materiale studiato, FeSe1−xSx, è una soluzione solida in cui alcuni atomi di selenio sono sostituiti dallo zolfo. La quantità di zolfo agisce come una manopola di regolazione, cambiando le proprietà del materiale. Il team si è concentrato su campioni con diversi livelli di zolfo, specificamente vicino al confine dove termina la fase nematica. In assenza di un campo magnetico, questi campioni sono superconduttori a basse temperature. Tuttavia, man mano che i ricercatori aumentavano il campo magnetico, la superconduttività svaniva e qualcos'altro prendeva il suo posto. La resistenza elettrica del materiale, che di solito diminuisce man mano che si raffredda, improvvisamente iniziò a salire bruscamente a una temperatura specifica. Questo aumento nella resistenza è un classico segno che un materiale sta transitando verso uno stato isolante o magnetico, suggerendo che gli elettroni si stavano organizzando in un nuovo, ordinato schema.

Per confermare che si trattasse effettivamente di un ordine magnetico e non solo di un errore casuale, il team ha utilizzato diverse tecniche di misurazione. Hanno monitorato la frequenza di un minuscolo oscillatore elettronico, che è sensibile ai cambiamenti nel modo in cui l'elettricità scorre attraverso il materiale, e hanno misurato la coppia, ovvero la forza di torsione, esercitata sul cristallo dal campo magnetico. Tutti questi diversi metodi indicavano la stessa conclusione: a una specifica temperatura, il materiale subiva una transizione. Gli elettroni si stavano riorganizzando, creando una nuova struttura che alterava il modo in cui il materiale conduceva elettricità. Inoltre, i ricercatori hanno osservato oscillazioni quantistiche, che sono increspature nella resistenza elettrica che si verificano quando gli elettroni si muovono in percorsi circolari all'interno di un campo magnetico. La frequenza di queste increspature ha rivelato che gli elettroni erano confinati in tasche molto piccole, un segno che la struttura elettronica originale, più grande, era stata ricostruita dal nuovo ordine magnetico.

Per garantire che non fosse solo un particolare dei campioni drogati con lo zolfo, il team ha confrontato i propri risultati con una versione diversa dello stesso materiale. Hanno preso un campione con pochissimo zolfo e lo hanno schiacciato con alta pressione, il che imita l'effetto dell'aggiunta di zolfo ma lo fa comprimendo fisicamente il reticolo cristallino. Sotto questa pressione, lo stesso ordine magnetico è apparso, ma questa volta era stabile e visibile anche senza un campo magnetico. Questo confronto diretto ha confermato che l'ordine magnetico osservato nei campioni drogati con lo zolfo era una proprietà reale e intrinseca del materiale, che era semplicemente mascherata dalla superconduttività in condizioni normali. I ricercatori hanno scoperto che l'ordine magnetico nei campioni drogati con lo zolfo era molto più debole e sensibile al campo magnetico rispetto al campione sotto pressione, descrivendolo come una fase "incipiente" o emergente.

Le implicazioni di questa scoperta sono significative per la comprensione di come funzionano questi materiali. Lo studio dimostra che l'ordine magnetico e lo stato nematico possono coesistere, con l'ordine magnetico che si nasconde appena sotto la superficie dello stato superconduttore. Indebolendo lo stato nematico attraverso la sostituzione chimica o la pressione, l'ordine magnetico diventa più stabile. Ciò suggerisce che la competizione tra questi diversi stati elettronici è un equilibrio delicato. Il fatto che l'ordine magnetico possa essere rivelato da un campo magnetico implica che esso è sempre presente ma soppresso dalla superconduttività. Questa scoperta aiuta a mappare il complesso diagramma di fase dei superconduttori a base di ferro, mostrando che il percorso per comprendere la superconduttività ad alta temperatura comporta la navigazione in un paesaggio dove magnetismo e superconduttività si contendono costantemente il dominio. Il lavoro offre un quadro più chiaro di come questi materiali si comportano in condizioni estreme, fornendo nuovi indizi sui meccanismi fondamentali che permettono all'elettricità di fluire senza resistenza.

Sintesi Tecnica: Fase di Densità di Spin Incipiente Indotta dal Campo in FeSe $_{1-x}$ S $_x$

Definizione del Problema
Negli altri superconduttori a base di ferro, l'ordine di onda di densità di spin (SDW) e la superconduttività competono e coesistono frequentemente. Mentre i pnictidi di ferro mostrano tipicamente un ordine SDW di tipo a strisce connesso al nesting della superficie di Fermi, i calcogenuri di ferro come l'FeSe presentano un panorama magnetico più frustrato. A pressione ambiente, l'FeSe mostra uno stato elettronico nematico senza ordine magnetico statico a lungo raggio, sebbene diverse configurazioni magnetiche rimangano vicine in energia. Studi precedenti hanno dimostrato che l'applicazione di pressione idrostatica all'FeSe può sopprimere la fase nematica e stabilizzare una fase SDW, che successivamente permette alla superconduttività di riemergere a temperature più elevate. Tuttavia, l'interazione tra nematicità, ordine magnetico e superconduttività nel sistema FeSe $_{1-x}$ S $_x$ , in particolare vicino al punto finale nematico ( $x \approx 0,175$ ), rimane complessa. Nello specifico, non è chiaro se una fase SDW possa essere stabilizzata all'interno della fase nematica di FeSe $_{1-x}$ S $_x$ tramite sola sostituzione chimica, o se tale ordine sia accessibile solo sotto alta pressione. Inoltre, la natura di questo ordine magnetico — se sia un ground state robusto o una fase "incipiente" e fragile, sensibile alle perturbazioni esterne — richiede chiarimenti.

Metodologia
Lo studio impiega un approccio sperimentale multifaccettato per sondare lo stato fondamentale elettronico di monocristalli di FeSe $_{1-x}$ S $_x$ sotto diverse condizioni:

Sintonizzazione del Campione: I ricercatori hanno utilizzato la sostituzione chimica (variando il contenuto di zolfo $x$ da $\sim 0,13$ a $\sim 0,17$ ) e applicato pressione idrostatica (fino a $\sim 12$ kbar) per sintonizzare la temperatura di transizione nematica ( $T_s$ ) e sopprimere la fase nematica. È stata effettuata un confronto diretto tra campioni con sostituzione chimica a pressione ambiente e un analogo sintonizzato tramite pressione (FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ ).
Magnetotrasporto ad Alto Campo: La resistività longitudinale ( $\rho_{xx}$ ) è stata misurata in campi magnetici fino a 68 T (campo pulsato) e 41 T (magnete resistivo) per sopprimere la superconduttività e rivelare gli ordini elettronici sottostanti.
Oscillatore a Diodo Tunnel (TDO): Misurazioni TDO senza contatto sono state eseguite per monitorare le variazioni nella resistività in piano e nella suscettibilità magnetica, fornendo una sonda sensibile per le transizioni di fase.
Coppia Magnetica: Misurazioni di anisotropia di coppia sono state condotte per rilevare variazioni nella suscettibilità magnetica ( $\chi_a - \chi_c$ ) e identificare l'ordinamento magnetico.
Oscillazioni Quantistiche: Le misure ad alto campo sono state analizzate per estrarre la topologia della superficie di Fermi, le masse efficaci e le frequenze delle oscillazioni, fungendo da sonda diretta della ricostruzione della superficie di Fermi.

Risultati Chiave

Ripalti di Resistività Indotti dal Campo: Nella fase nematica B di FeSe $_{1-x}$ S $_x$ (specificamente campioni con $x \sim 0,13$ e $x \sim 0,17$ ), la superconduttività è soppressa a campi superiori a 5 T. Aumentando ulteriormente il campo, emerge un pronunciato rialzo della resistività a una temperatura caratteristica $T_{MI}$ . Questo rialzo segnala un crossover da un comportamento di tipo metallico a uno di tipo isolante, spostandosi verso temperature più basse all'aumentare del campo magnetico.
Anomalie Correlate: I rialzi della resistività sono accompagnati da distinte anomalie nella frequenza di risonanza TDO e nell'anisotropia della coppia magnetica. Queste caratteristiche appaiono a temperature simili ( $T_p$ e $T_\tau$ ), indicando un ordine elettronico intrinseco indotto dal campo che influenza sia il trasporto che le proprietà magnetiche.
Oscillazioni Quantistiche e Ricostruzione della Superficie di Fermi: Oscillazioni quantistiche a bassa frequenza dominanti sono state osservate nello stato normale ad alto campo. Per i campioni con sostituzione chimica, è stata rilevata una frequenza $F \sim 83$ T con una massa efficace leggera ( $m^* \approx 1,53 m_e$ ). Ciò corrisponde a una piccola tasca ricostruita della superficie di Fermi, coerente con la formazione di un ordine SDW che gapifica porzioni della superficie di Fermi.
Confronto con l'Analogo Sintonizzato con Pressione: Il confronto diretto con FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ sotto pressione idrostatica ( $p \sim 10,5$ kbar) ha rivelato firme simili: un rialzo della resistività che definisce una fase SDW, anomalie TDO e oscillazioni quantistiche a bassa frequenza ( $F \sim 70$ T). Tuttavia, il campione sintonizzato con pressione ha esibito una fase SDW più robusta, stabile a campo magnetico nullo, mentre i campioni con sostituzione chimica richiedevano alti campi magnetici per rivelare l'ordine.
Scale di Energia: L'energia di attivazione ( $\Delta_m$ ) derivata dal rialzo della resistività nei campioni con sostituzione chimica è circa un ordine di grandezza inferiore ( $\sim 0,2 - 0,5$ meV) rispetto al campione sintonizzato con pressione. Ciò suggerisce che l'ordine SDW nei campioni con sostituzione chimica è "incipiente" e altamente sensibile ai campi magnetici.

Significato e Rivendicazioni
L'articolo sostiene di fornire prove di una fase SDW incipiente indotta dal campo stabilizzata all'interno dello stato nematico di FeSe $_{1-x}$ S $_x$ . Gli autori dimostrano che indebolendo la nematicità attraverso la sostituzione chimica o l'applicazione di pressione, il sistema diventa suscettibile all'ordinamento SDW.

Meccanismo: Le scoperte suggeriscono che l'ordine SDW non è un'instabilità competitiva che distrugge completamente la superconduttività, ma piuttosto uno stato fragile che può coesistere con o emergere dalla fase nematica quando la superconduttività è soppressa dai campi magnetici.
Ricostruzione Elettronica: L'osservazione di piccole tasche della superficie di Fermi tramite oscillazioni quantistiche conferma che l'ordine indotto dal campo ricostruisce la struttura elettronica, coerentemente con la formazione di un SDW guidata dal nesting della superficie di Fermi.
Implicazioni per il Pairing: Gli autori ipotizzano che la stabilizzazione degli ordini SDW (e delle associate fluttuazioni di spin) attraverso l'indebolimento della nematicità possa promuovere il meccanismo di accoppiamento superconduttore dominante nei calcogenuri di ferro. La coesistenza di SDW incipiente e superconduttività potrebbe influenzare la natura del gap superconduttore e potenzialmente supportare scenari che coinvolgono superfici di Fermi di Bogoliubov o ordine magnetico toroidale.
Generalizzabilità: Lo studio evidenzia che i confini del diagramma di fase in FeSe $_{1-x}$ S $_x$ sono sintonizzabili e che la natura "incipiente" dell'ordine SDW lo rende una sonda sensibile per comprendere la competizione tra nematicità, magnetismo e superconduttività negli altri superconduttori non convenzionali.

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