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

Este estudo demonstra que a aplicação de campos magnéticos elevados ao FeSe $_{1-x}$ S $_x$ estabiliza uma fase incipiente de onda de densidade de spin dentro do estado nemático, evidenciada por aumentos na resistividade e oscilações quânticas, revelando que o enfraquecimento da nematicidade promove a emergência da ordem SDW e o mecanismo dominante de emparelhamento supercondutor nos calcogenetos de ferro.

Autores originais: 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 originais: 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

Artigo original sob licença CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta é uma explicação gerada por IA do artigo abaixo. Não foi escrita nem endossada pelos autores. Para precisão técnica, consulte o artigo original. Ler aviso legal completo

No mundo da ciência dos materiais, algumas substâncias guardam uma tensão secreta entre duas formas diferentes de organizar seus átomos e elétrons. Uma forma é uma ordem magnética, onde pequenos ímãs atômicos se alinham em um padrão rígido e repetitivo. A outra é um estado supercondutor, um fenômeno onde a eletricidade flui com resistência zero, algo que geralmente exige que essas tendências magnéticas sejam silenciadas. Durante décadas, cientistas têm estudado supercondutores à base de ferro para entender como esses dois estados competem e, às vezes, coexistem. Um conceito fundamental neste campo é a "nematicidade", um estado onde os elétrons se comportam de maneira diferente dependendo da direção em que se movem, quebrando a simetria da estrutura do material sem necessariamente formar um padrão magnético. Em muitos desses materiais, aplicar pressão ou alterar a composição química pode empurrar o sistema de um estado nemático para um magnético, ou vice-versa. Compreender exatamente como e quando essas transições ocorrem é crucial porque as flutuações entre esses estados são acreditadas ser a própria "cola" que mantém os pares supercondutores unidos, permitindo que a eletricidade flua sem perdas.

Uma equipe de pesquisadores descobriu agora uma fase delicada e oculta dentro de um desses materiais à base de ferro, um composto feito de ferro, selênio e enxofre. Ao submeter cristais deste material a campos magnéticos incrivelmente fortes, eles foram capazes de suprimir a supercondutividade que normalmente esconde o comportamento eletrônico subjacente. O que eles encontraram foi surpreendente: mesmo dentro do estado nemático, onde nenhuma ordem magnética era esperada, um padrão magnético tênue e emergente apareceu. Este padrão, conhecido como onda de densidade de spin, é um estado onde os spins dos elétrons se organizam em uma estrutura ondulatória. Os pesquisadores descobriram que essa ordem magnética é frágil; ela só se torna visível quando o estado supercondutor é derrubado por um campo magnético de até 68 tesla, uma força aproximadamente um milhão de vezes maior que a de um ímã de geladeira típico.

O material que estudaram, FeSe1−xSx, é uma solução sólida onde alguns átomos de selênio são substituídos por enxofre. A quantidade de enxofre atua como um botão de ajuste, mudando as propriedades do material. A equipe focou em amostras com diferentes níveis de enxofre, especificamente perto da fronteira onde a fase nemática termina. Na ausência de um campo magnético, essas amostras são supercondutoras em baixas temperaturas. No entanto, conforme os pesquisadores aumentavam o campo magnético, a supercondutividade desaparecia, e algo mais tomava seu lugar. A resistência elétrica do material, que normalmente diminui conforme esfria, de repente começou a subir bruscamente em uma temperatura específica. Esse aumento na resistência é uma assinatura clássica de um material transitando para um estado isolante ou magnético, sugerindo que os elétrons estavam se organizando em um novo padrão ordenado.

Para confirmar que isso era de fato uma ordem magnética e não apenas um erro aleatório, a equipe utilizou diversas técnicas de medição. Eles monitoraram a frequência de um oscilador eletrônico minúsculo, que é sensível a mudanças em como a eletricidade flui através do material, e mediram o torque, ou força de torção, exercido no cristal pelo campo magnético. Todos esses métodos diferentes apontaram para a mesma conclusão: em uma temperatura específica, o material passou por uma transição. Os elétrons estavam se rearranjando, criando uma nova estrutura que alterava a forma como o material conduzia eletricidade. Além disso, os pesquisadores observaram oscilações quânticas, que são ondulações na resistência elétrica que ocorrem quando elétrons se movem em caminhos circulares dentro de um campo magnético. A frequência dessas ondulações revelou que os elétrons estavam confinados a bolsas muito pequenas, um sinal de que a estrutura eletrônica original, maior, havia sido reconstruída pela nova ordem magnética.

Para garantir que isso não fosse apenas uma peculiaridade das amostras dopadas com enxofre, a equipe comparou suas descobertas com uma versão diferente do mesmo material. Eles pegaram uma amostra com muito pouco enxofre e a espremeram com alta pressão, o que mimetiza o efeito de adicionar enxofre, mas faz isso comprimindo fisicamente a rede cristalina. Sob essa pressão, a mesma ordem magnética apareceu, mas desta vez ela era estável e visível mesmo sem um campo magnético. Essa comparação direta confirmou que a ordem magnética observada nas amostras dopadas com enxofre era uma propriedade real e intrínseca do material, que estava simplesmente sendo mascarada pela supercondutividade sob condições normais. Os pesquisadores descobriram que a ordem magnética nas amostras dopadas com enxofre era muito mais fraca e sensível ao campo magnético do que na amostra sob pressão, descrevendo-a como uma fase "incipiente" ou emergente.

As implicações desta descoberta são significativas para a compreensão de como esses materiais funcionam. O estudo mostra que a ordem magnética e o estado nemático podem coexistir, com a ordem magnética escondida logo abaixo da superfície do estado supercondutor. Ao enfraquecer o estado nemático através de substituição química ou pressão, a ordem magnética torna-se mais estável. Isso sugere que a competição entre esses diferentes estados eletrônicos é um equilíbrio delicado. O fato de a ordem magnética poder ser revelada por um campo magnético implica que ela está sempre presente, mas suprimida pela supercondutividade. Esta descoberta ajuda a mapear o complexo diagrama de fases dos supercondutores à base de ferro, mostrando que o caminho para entender a supercondutividade de alta temperatura envolve navegar em uma paisagem onde o magnetismo e a supercondutividade estão constantemente disputando o domínio. O trabalho oferece uma imagem mais clara de como esses materiais se comportam sob condições extremas, oferecendo novas pistas sobre os mecanismos fundamentais que permitem que a eletricidade flua sem resistência.

Resumo Técnico: Fase de Densidade de Spin Incipiente Induzida por Campo em FeSe $_{1-x}$ S $_x$

Problema
Em supercondutores à base de ferro, a ordem de onda de densidade de spin (SDW) e a supercondutividade frequentemente competem e coexistem. Enquanto os pnictídeos de ferro tipicamente exibem uma ordem SDW do tipo estriada (stripe-type) conectada ao aninhamento da superfície de Fermi, os calcogenetos de ferro como o FeSe apresentam um cenário magnético mais frustrado. Sob pressão ambiente, o FeSe exibe um estado eletrônico nemático sem ordem magnética estática de longo alcance, embora várias configurações magnéticas permaneçam próximas em energia. Estudos anteriores mostraram que a aplicação de pressão hidrostática ao FeSe pode suprimir a fase nemática e estabilizar uma fase SDW, o que subsequentemente permite que a supercondutividade reemerja em temperaturas mais altas. No entanto, a interação entre nematicidade, ordem magnética e supercondutividade no sistema FeSe $_{1-x}$ S $_x$ , particularmente próximo ao ponto final nemático ( $x \approx 0,175$ ), permanece complexa. Especificamente, não está claro se uma fase SDW pode ser estabilizada dentro da fase nemática do FeSe $_{1-x}$ S $_x$ apenas via substituição química, ou se tal ordem é acessível apenas sob alta pressão. Além disso, a natureza dessa ordem magnética — se é um estado fundamental robusto ou uma fase frágil e "incipiente", sensível a perturbações externas — requer esclarecimento.

Metodologia
O estudo emprega uma abordagem experimental multifacetada para sondar o estado fundamental eletrônico de monocristais de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ sob diversas condições:

Ajuste de Amostra: Os pesquisadores utilizaram a substituição química (variando o conteúdo de enxofre $x$ de $\sim0,13$ a $\sim0,17$ ) e aplicaram pressão hidrostática (até $\sim12$ kbar) para ajustar a temperatura de transição nemática ( $T_s$ ) e suprimir a fase nemática. Uma comparação direta foi feita entre amostras quimicamente substituídas à pressão ambiente e um análogo ajustado por pressão (FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ ).
Magnetotransporte de Alto Campo: A resistividade longitudinal ( $\rho_{xx}$ ) foi medida em campos magnéticos de até 68 T (campo pulsado) e 41 T (ímã resistivo) para suprimir a supercondutividade e revelar ordens eletrônicas subjacentes.
Oscilador de Diodo de Túnel (TDO): Medições de TDO sem contato foram realizadas para monitorar mudanças na resistividade in-plane e na suscetibilidade magnética, fornecendo uma sonda sensível para transições de fase.
Torque Magnético: Medições de anisotropia de torque foram conduzidas para detectar mudanças na suscetibilidade magnética ( $\chi_a - \chi_c$ ) e identificar o ordenamento magnético.
Oscilações de Quantum: Medições de alto campo foram analisadas para extrair a topologia da superfície de Fermi, massas efetivas e frequências de oscilação, servindo como uma sonda direta da reconstrução da superfície de Fermi.

Resultos Principais

Ascensões de Resistividade Induzidas por Campo: Na fase B nemática do FeSe $_{1-x}$ S $_x$ (especificamente amostras com $x \sim 0,13$ e $x \sim 0,17$ ), a supercondutividade é suprimida em campos acima de 5 T. Ao aumentar ainda mais o campo, uma acentuada ascensão na resistividade emerge em uma temperatura característica $T_{MI}$ . Esta ascensão sinaliza um crossover de comportamento metálico para isolante, deslocando-se para temperaturas mais baixas conforme o campo magnético aumenta.
Anomalias Correlacionadas: As ascensões de resistividade são acompanhadas por anomalias distintas na frequência de ressonância do TDO e na anisotropia do torque magnético. Essas características aparecem em temperaturas semelhantes ( $T_p$ e $T_\tau$ ), indicando uma ordem eletrônica intrínseca induzida por campo que afeta tanto o transporte quanto as propriedades magnéticas.
Oscilações de Quantum e Reconstrução da Superfície de Fermi: Oscilações de quantum de baixa frequência dominantes foram observadas no estado normal de alto campo. Para as amostras quimicamente substituídas, uma frequência de $F \sim 83$ T foi detectada com uma massa efetiva leve ( $m^* \approx 1,53 m_e$ ). Isso corresponde a um pequeno bolso de superfície de Fermi reconstruído, consistente com a formação de uma ordem SDW que cria lacunas (gaps) em partes da superfície de Fermi.
Comparação com o Análogo Ajustado por Pressão: A comparação direta com o FeSe $_{0,96}$ S $_{0,04}$ sob pressão hidrostática ( $p \sim 10,5$ kbar) revelou assinaturas semelhantes: uma ascensão de resistividade definindo uma fase SDW, anomalias de TDO e oscilações de quantum de baixa frequência ( $F \sim 70$ T). No entanto, a amostra ajustada por pressão exibiu uma fase SDW mais robusta, que é estável a campo zero, enquanto as amostras quimicamente substituídas exigiram altos campos magnéticos para revelar a ordem.
Escalas de Energia: A energia de ativação ( $\Delta_m$ ) derivada da ascensão de resistividade nas amostras quimicamente substituídas é aproximadamente uma ordem de magnitude menor ( $\sim 0,2 - 0,5$ meV) do que na amostra ajustada por pressão. Isso sugere que a ordem SDW nas amostras quimicamente substituídas é "incipiente" e altamente sensível a campos magnéticos.

Significância e Alegações
O artigo afirma fornecer evidências de uma fase SDW incipiente induzida por campo estabilizada dentro do estado nemático de FeSe $_{1-x}$ S $_x$ . Os autores demonstram que, ao enfraquecer a nematicidade através de substituição química ou pressão aplicada, o sistema torna-se suscetível ao ordenamento SDW.

Mecanismo: Os achados sugerem que a ordem SDW não é uma instabilidade competitiva que destrói completamente a supercondutividade, mas sim um estado frágil que pode coexistir com ou emergir da fase nemática quando a supercondutividade é suprimida por campos magnéticos.
Reconstrução Eletrônica: A observação de pequenos bolsos de superfície de Fermi via oscilações de quantum confirma que a ordem induzida por campo reconstrói a estrutura eletrônica, consistente com a formação de SDW impulsionada pelo aninhamento da superfície de Fermi.
Implicações para o Emparelhamento: Os autores postulam que a estabilização de ordens SDW (e as flutuações de spin associadas) ao enfraquecer a nematicidade pode promover o mecanismo de emparelhamento supercondutor dominante nos calcogenetos de ferro. A coexistência de SDW incipiente e supercondutividade pode influenciar a natureza do gap supercondutor e potencialmente apoiar cenários envolvendo superfícies de Fermi de Bogoliubov ou ordem magnética toroidal.
Generalização: O estudo destaca que as fronteiras do diagrama de fases em FeSe $_{1-x}$ S $_x$ são ajustáveis, e que a natureza "incipiente" da ordem SDW a torna uma sonda sensível para compreender a competição entre nematicidade, magnetismo e supercondutividade em supercondutores não convencionais.

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