Железо в селениде железа: как примесь, убивающая сверхпроводимость, стала её усилителем экспресс
В кристаллической решётке селенида железа атомы железа и селена чередуются, как кирпичи в кладке. Но иногда в пустоты между ними забираются лишние атомы железа — как непрошеные гости, которые втискиваются в щели между кирпичами. Всего 3% таких «гостей» — и сверхпроводимость исчезает: материал перестаёт проводить ток без сопротивления. В новой работе исследователи вырастили кристалл, где лишнего железа оказалось 11% — втрое больше «смертельной» дозы. И он всё равно стал сверхпроводником, причём с температурой перехода 30,4 К — это выше, чем у многих других сверхпроводников на основе железа.
Секрет в способе синтеза. Обычно такие кристаллы получают при высоких температурах, когда атомы успевают занять самые удобные положения — как пассажиры, рассевшиеся по креслам в пустом автобусе. Здесь же применили гидротермальный ионный обмен: раствор под давлением вымывает одни атомы и вставляет другие, не давая решётке «расслабиться». В результате лишнее железо оказалось заперто в необычных позициях, которые в равновесии невозможны. Это как если бы пассажиров заставили стоять в проходе, хотя свободные кресла есть.
При дальнейшем сжатии в кристалле появляется магнитный порядок, который ранее наблюдали лишь в чистом FeSe под давлением. Получается, что лишнее железо не просто не мешает, а помогает «включить» новые состояния вещества. Авторы считают, что неравновесный синтез открывает дорогу к материалам со свойствами, недостижимыми в обычных условиях — как будто мы научились строить здания не по стандартному проекту, а собирать их из готовых блоков в произвольном порядке.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2602.06312
Binary stoichiometry FeSe (s-FeSe) is a well-known parent of high-temperature unconventional superconductors owing to its charge-neutral layer, highly tunable structure and electronic properties, and rich interplays among multiple electronic phases. Yet the s-FeSe synthesized via high-temperature equilibrium reactions bears the notorious interstitial Fe,where merely 3% of them is sufficient to kill the superconductivity. Here, we successfully synthesized a new non-stoichiometric Fe1.11Se single crystal with a superconducting onset temperature (Tconset) of 30.4 K through a hydrothermal ion-exchange and de-intercalation route. 11% interstitial Fe ions exceed the equilibrium phase diagram limit. Intriguingly, under physical pressure, the Tconset of exhibits a "V"-shaped evolution with a minimum at 2-2.6 GPa, and then upturning into a second superconducting region, reminiscent of the behaviors in FeSe intercalates. Furthermore, a pressure-induced possible magnetic order, previously only observed in pressurized s-FeSe, shows up. These results offer fresh insights into the role of interstitial Fe in governing superconducting and transport properties under non-equilibrium synthesis and tuning strategies.
Температура 30,4 К — это около -243°C, холоднее, чем поверхность Плутона, но для сверхпроводников на основе железа это довольно «тёплая» температура.