🔬 fisica

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

Utilizzando la microscopia a effetto tunnel Josephson a scansione, i ricercatori hanno visualizzato direttamente modulazioni periodiche di metà cella unitaria in film monostrato di Fe(Te,Se) che confermano una simmetria di accoppiamento d-wave nodeless con inversione di segno, superando le precedenti limitazioni nel determinare i complessi meccanismi di accoppiamento dei superconduttori a base di ferro.

Autori originali: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

Pubblicato 2026-10-30

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CC BY 4.0

Autori originali: Tianheng Wei, Yanzhao Liu, Wei Ren, Zhen Liang, Ziqiang Wang, Jian Wang

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Al cuore dei materiali più misteriosi della fisica risiede una domanda semplice: come fanno gli elettroni ad accoppiarsi per fluire senza resistenza? In molti superconduttori ad alta temperatura, queste coppie non sono gemelli identici; sono più simili a partner che si muovono in direzioni opposte, uno stato noto come inversione di segno. Determinare la forma esatta di questa partnership, o la sua simmetria, è cruciale perché rivela le forze nascoste che legano insieme gli elettroni. Per decenni, gli scienziati si sono affidati a esperimenti su larga scala per indovinare queste forme, ma questi metodi spesso sfocano i dettagli fini, proprio come cercare di leggere un libro da un miglio di distanza. La sfida è stata particolarmente acuta per i superconduttori a base di ferro, una potente famiglia di materiali in cui le regole di accoppiamento sono complesse e i segnali sono spesso confusi dalla presenza di molteplici tipi di elettroni.

Un team di ricercatori ha ora affrontato questo problema con un microscopio così potente da poter vedere i singoli atomi, offrendo una visione diretta di come si comportano queste coppie di elettroni. Utilizzando una tecnica specializzata chiamata microscopia a effetto tunnel Josephson a scansione, hanno mappato lo stato superconduttore di un singolo strato di materiale a base di ferro cresciuto sulla superficie di un cristallo. Invece di vedere un bagliore uniforme di superconduttività, hanno trovato un suggestivo schema di punti chiari e scuri che si ripeteva ogni mezzo atomo. Cosa più importante, hanno scoperto che il segnale delle coppie di elettroni svaniva completamente lungo linee specifiche che connettono gli atomi. Questa "linea zero" non è un difetto o una lacuna nel materiale, ma una firma fondamentale delle coppie di elettroni che si annullano a vicenda. I risultati suggeriscono fortemente che gli elettroni in questo materiale siano accoppiati in un particolare schema di inversione del segno noto come onda d senza nodi (nodeless d-wave), una forma che era stata teorizzata ma mai visualizzata direttamente in questo modo.

La storia inizia con un materiale che ha tormentato gli scienziati per anni: un singolo strato di ferro, tellurio e selenio, spesso quanto un solo atomo, appoggiato su una superficie di titanato di stronzio. Questo film è famoso per diventare superconduttore a temperature relativamente alte, eppure la sua struttura interna rimane oggetto di intenso dibattito. Per capire cosa stia accadendo all'interno, i ricercatori avevano bisogno di uno strumento in grado di sondare la fase quantistica delle coppie di elettroni, una proprietà che determina come esse si muovono e interagiscono. Si sono rivolti a un microscopio a effetto tunnel a scansione dotato di una punta rivestita di piombo, un superconduttore convenzionale. Mentre questa punta superconduttrice fluttua appena sopra il film a base di ferro, forma un ponte microscopico, permettendo alle coppie di elettroni di attraversare il vuoto per effetto tunnel. La forza di questa corrente a effetto tunnel dipende da come le fasi delle coppie di elettroni nella punta e nel film si allineano.

I ricercatori non si sono limitati a misurare la corrente in un singolo punto; hanno scansionato la superficie con la punta, atomo per atomo, registrando la forza del segnale a effetto tunnel in ogni posizione. Ciò che hanno trovato è stato un paesaggio di contrasto drammatico. Il segnale era più forte nei punti medi tra gli atomi di ferro vicini, ma man mano che la punta si spostava verso le linee che connettono i vicini più lontani del ferro, il segnale diminuiva drasticamente. In effetti, lungo queste linee diagonali, la corrente a effetto tunnel quasi del tutto scompariva. Questa è un'osservazione profonda perché la distanza tra questi punti è incredibilmente piccola, molto più piccola della dimensione tipica di una regione superconduttrice. Se il materiale fosse semplicemente irregolare o se la superconduttività fosse a chiazze, il segnale non svanirebbe con tale precisione lungo queste specifiche linee geometriche. Il segnale che svanisce indica che le coppie di elettroni su un lato della linea sono perfettamente fuori fase rispetto a quelle dall'altro lato, causando il loro annullamento attraverso l'interferenza distruttiva.

Questo annullamento è la prova schiacciante di un tipo specifico di simmetria di accoppiamento. Nel linguaggio della meccanica quantistica, i ricercatori hanno scoperto che le coppie di elettroni cambiano il loro segno quando riflesse attraverso queste linee diagonali. Questo comportamento corrisponde alla previsiona teorica per uno stato d-wave senza nodi, dove la funzione di accoppiamento ha una forma specifica che inverte il suo segno sotto determinate rotazioni e riflessioni. Il team ha confermato che questo schema non è un artefatto del loro equipaggiamento o della specifica composizione del materiale testando altri superconduttori. Quando hanno eseguito lo stesso esperimento su un superconduttore convenzionale di piombo, il segnale rimaneva uniforme, non mostrando alcun annullamento. Quando hanno esaminato una versione massiva del materiale a base di ferro, nota per avere una diversa struttura di accoppiamento, anche il segnale era uniforme. Tuttavia, quando hanno testato un diverso film a base di ferro e un famoso superconduttore a base di rame, entrambi noti per la simmetria d-wave, hanno visto lo stesso segnale che svaniva lungo le linee diagonali.

I risultati forniscono un'immagine chiara, nello spazio reale, dello stato superconduttore in questi film a base di ferro. I ricercatori sostengono che le coppie di elettroni in questo materiale a singolo strato non seguano il semplice schema uniforme visto in molti altri superconduttori a base di ferro. Al contrario, sono bloccate in una danza complessa di inversione del segno che crea queste linee di segnale nullo. Questa scoperta sostiene l'idea che la superconduttività ad alta temperatura in questi film derivi da un tipo specifico di accoppiamento che era precedentemente solo un'ipotesi. Visualizzando direttamente l'interferenza delle coppie di elettroni su scala atomica, lo studio offre un nuovo modo per comprendere i meccanismi dietro la superconduttività. Suggerisce che la chiave per sbloccare i segreti di questi materiali possa risiedere nell'osservare i sottili annullamenti e gli allineamenti delle coppie di elettroni proprio dove vivono, piuttosto che mediarli su un'area vasta. Il lavoro apre una strada per esplorare altri superconduttori esotici con lo stesso livello di dettaglio, rivelando potenzialmente le regole nascoste che governano il modo in cui la materia conduce l'elettricità senza perdite.

Sintesi Tecnica: Imaging Diretto nello Spazio Reale dello Stato Superconduttore a Inversione di Segno tramite Tunneling di Josephson a Scansione

Problema e Motivazione
Determinare la simmetria di accoppiamento superconduttore è un passo fondamentale per identificare il meccanismo della superconduttività non convenzionale ad alta temperatura critica. Sebbene gli esperimenti di tunneling di Josephson sensibili alla fase abbiano stabilito con successo la simmetria $d$ -wave nei cuprati ad alta $T_c$ , l'applicazione di tali metodi ai superconduttori a base di ferro (FeSC) si è rivelata difficile. Nei FeSC, la complessità delle simmetrie di accoppiamento multibanda e le sfide nella fabbricazione di giunzioni Josephson macroscopiche di alta qualità e omogenee hanno limitato gli studi sensibili alla fase, in particolare per i sistemi fortemente drogati come i film monostrato di FeSe e Fe(Te,Se) cresciuti su SrTiO $_3$ (STO). Questi specifici film monostrato possiedono solo tasche di Fermi elettroniche ed esibiscono le temperature di transizione più elevate tra i FeSC, eppure la loro simmetria di accoppiamento rimane oggetto di dibattito, con candidati che spaziano dalla simmetria $s$ -wave alla $d$ -wave con inversione di segno. I tradizionali esperimenti di tunneling mancano della necessaria risoluzione spaziale e di momento per distinguere in modo univoco tra questi candidati in tali sistemi multibanda.

Metodologia
Per affrontare queste limitazioni, gli autori hanno impiegato lo Scanning Josephson Tunneling Microscopy (SJTM), una tecnica che utilizza una punta superconduttrice per formare una giunzione Josephson microscopica spazialmente sintonizzabile con il campione. A differenza delle giunzioni macroscopiche, lo SJTM evita i problemi di eterogeneità e offre una risoluzione spaziale sub-atomica. Gli esperimenti sono stati condotti su film di Fe(Te,Se)/STO di alta qualità con spessore di un'unità cellulare (1-UC) tramite crescita mediante fasci molecolari (MBE). Le misurazioni sono state eseguite a temperature ultra-basse (sotto i 150 mK) utilizzando una punta di PtIr rivestita di Pb superconduttore (simmetria $s$ -wave).

Lo studio si è concentrato sulla misura della conduttanza di tunneling di Josephson a bias zero ( $g_J$ ), che è proporzionale al quadrato della corrente critica di Josephson ( $I_c^2$ ). Scansionando la punta attraverso il reticolo atomico, gli autori hanno mappato la distribuzione spaziale di $g_J$ e l'hanno confrontata con gli spettri di tunneling a particella singola e la topografia atomica. Per validare la robustezza della tecnica, misurazioni simili sono state effettuate su un set diversificato di campioni di controllo: FeSe monostrato/STO, Fe(Te,Se) bulk, un film di Pb $s$ -wave convenzionale su Si(111) e il cuprato ad alta $T_c$ Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ .

Risultati Chiave

Modulazioni Periodiche di Mezza Unità Cellulare: Nel film 1-UC di Fe(Te,Se)/STO, il segnale di tunneling di Josephson ( $g_J$ ) ha esibito una distinta modulazione spaziale con un periodo pari alla metà della costante di reticolo ( $a_{Te/Se}/2$ ). Il segnale era massimo nei punti medi dei legami Fe-Fe tra vicini più prossimi, ma quasi svaniva lungo le linee che connettono gli atomi di Fe vicini di secondo ordine.
Linee di Zero Protette dalla Simmetria: Le linee di $g_J$ evanescente coincidevano precisamente con i piani di riflessione speculare diagonale ( $m_d$ ) del reticolo cristallino. Questo fenomeno di "linea di zero" è stato osservato costantemente in diverse condizioni di setup e con diverse punte, indicando che si tratta di una proprietà intrinseca dello stato superconduttore.
Contrasto con i Campioni di Controllo:
- Monolayer FeSe/STO: Ha mostrato modulazioni simili a mezza unità cellulare con linee di zero, suggerendo una simmetria di accoppiamento universale per i FeSC monostrato fortemente drogati con elettroni.
- Cuprato Bi $_2$ Sr $_2$ CaCu $_2$ O $_{8+x}$ : Ha esibito modulazioni analoghe con linee di zero lungo le linee diagonali Cu-Cu, coerentemente con la sua nota simmetria $d_{x^2-y^2}$ -wave.
- Fe(Te,Se) Bulk e Pb/Si(111): Entrambi i superconduttori $s$ -wave convenzionali (Fe(Te,Se) bulk con simmetria $s_{\pm}$ e Pb con semplice $s$ -wave) hanno esibito mappe di $g_J$ relativamente uniformi senza modulazioni sub-unità cellulare o linee di zero.
Spettri a Particella Singola: Gli spettri di tunneling a particella singola misurati con una punta metallica hanno rivelato un gap superconduttore completamente aperto (>10 meV) in tutte le posizioni atomiche, escludendo la possibilità che le linee di zero in $g_J$ fossero causate da chiusure locali del gap o da un'eterogeneità della densità del superfluido.

Interpretazione e Analisi Teorica
Gli autori interpretano la scomparsa di $g_J$ lungo le linee di riflessione speculare diagonale come il risultato di un'interferenza quantistica distruttiva tra i canali di tunneling di Josephson originanti da diverse tasche di Fermi. Poiché la punta è un superconduttore $s$ -wave, la simmetria della corrente critica $I_c$ è determinata dalla funzione di accoppiamento del campione.

L'osservazione che $I_c$ cambia segno sotto riflessione speculare diagonale ( $\sigma_d$ ) ma rimane pari sotto riflessione speculare verticale ( $\sigma_v$ ) è matematicamente coerente con una simmetria di accoppiamento $d$ -wave senza nodi (specificamente la rappresentazione $B_{2g}$ ).
In questo scenario, i parametri d'ordine superconduttori sulle due tasche di Fermi elettroniche (derivate dagli orbitali $xz/xy $e$ yz/xy$) hanno segni opposti. Quando la punta è posizionata sul piano di riflessione diagonale, le ampiezze di tunneling provenienti da queste due tasche interferiscono distruttivamente, portando la corrente critica netta a zero.
Calcoli teorici basati su modelli tight-binding e analisi di simmetria hanno confermato che solo lo stato $d$ -wave senza nodi riproduce il pattern di modulazione sub-unità cellulare e le linee di zero osservati. Gli scenari $s_{\pm}$ estesi o $s$ -wave semplice sono risultati incoerenti con i dati poiché mancano della necessaria protezione di simmetria per creare tali linee di zero.

Significato
L'articolo sostiene di fornire la prima visualizzazione microscopica nello spazio reale della superconduttività a inversione di segno in un superconduttore monostrato a base di ferro. Dimostrando che lo SJTM può risolvere informazioni di fase sub-unità cellulare e distinguere tra simmetrie $d$ -wave e $s$ -wave alla scala atomica, questo lavoro offre un approccio sperimentale robusto e sensibile alla fase che non richiede la fabbricazione di complesse giunzioni macroscopiche. Questa tecnica è presentata come un metodo viabile per investigare i meccanismi di accoppiamento in altri sistemi superconduttori non convenzionali, inclusi i FeSC fortemente drogati, i cuprati, i sistemi a fermioni pesanti e i superconduttori moiré. I risultati supportano la previsione teorica che i FeSC monostrato fortemente drogati con elettroni ospitino uno stato di accoppiamento $d$ -wave senza nodi, distinto dallo stato $s_{\pm}$ presente nei loro analoghi bulk.

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