Физики провели первые прямые измерения электрон-фононного взаимодействия

Красные сферы - атомы селена, синие - атомы железа, светлые облачка - электронная плотность. Лазерный импульс в рентгеновском диапазоне возбуждает колебания системы.

Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

Группа физиков из США и Азии провела эксперимент по наблюдению электрон-фононного взаимодействия в FeSe. По утверждению ученых, это первое прямое наблюдение электрон-фононного взаимодействия. Кроме того, примененный учеными метод универсален, его можно использовать для количественного измерения многих эффектов, связанных с электрон-фононным взаимодействием. Соответствующая статья опубликована в журнале Science.

Известно, что при температурах ниже 8 градусов Кельвина селенид железа является сверхпроводником. Однако в 2012 году китайские физики сообщили о результатах своего исследования: оказалось, что при нанесении слоя FeSe на подложку из SrTiO3, сверхпроводимость наблюдается при температурах вплоть до 80 градусов Кельвина. Тогда было высказано предположение, что все дело в фононах, которые возбуждаются в подложке и, мигрируют в FeSe, спаривая там электроны, однако попытки прямой проверки этого утверждения китайский эксперимент не предполагал.

В своей работе научная группа под руководством Саймона Гербера на примере исследования сверхпроводимости в селениде железа испытала новый метод, позволяющий проводить прямые наблюдения за фонон-электронным взаимодействием. Главная идея заключалась в следующем: на селенид железа направляли два лазера, ультрафиолетовый и из рентгеновского диапазона. Рентгеновский лазер возбуждал в решетке когерентные фононы. При этом разрешенные энергетические зоны электронов изменялись некоторым образом. Ультрафиолетовый же лазер «выбивал» электроны из вещества. Зная спектр «выбитых» электронов ученые восстанавливали по нему спектр энергии электронов в веществе. Сила спаривания электронов с фононами определялась как отношение сдвига доступной электронам зоны к соответствующему смещению атомов. Именно ее вычисление и было главной целью эксперимента.

Таким образом физики получали целостную картину, прямым образом наблюдая влияние электрон-фононного спаривания непосредственно в эксперименте, не используя дополнительных предположений. Как отмечают авторы статьи, такой метод является довольно универсальным и может очень помочь в экспериментах по количественным подтверждениям различных моделей.

Непосредственно для селенида железа на подложке из SrTiO3 был получен неожиданный результат: оказалось, что сила электрон-фононного спаривания в этом материале превышает теоретические предсказания в 10 раз. Однако объяснить аномально-высокую температуру перехода в сверхпроводящее состояние на основе результатов эксперимента физикам не удалось.

В прошлом году благодаря усиленному электрон-фононному взаимодействию ученым из исследовательского центра VTT в Финляднии, Ланкастерского университета и Aivon удалось зарегистрировать рекордно низкую электронную температуру, которая составила всего 3,7 милликельвина.

Александр Чепилко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.