物理学家发现超导的新开关

铁基超导体是一类具有高温超导性质的材料，它们的超导转变温度可以达到几十甚至上百开尔文。这些材料的一个共同特征是，在超导相之前，它们会出现一个电子性质的对称性破缺，即电子向列相或者称为电子向列液晶相。在这个相中，电子系统会自发地从四方对称降低到正交对称，从而导致晶格也发生畸变。这种对称性破缺的机制是什么？是由自旋还是轨道引起的？这些问题一直是铁基超导体研究中的重要课题。

在铁基超导体中，最简单也最神秘的一个代表是硒化铁(FeSe)。它的超导转变温度只有9K，但是在压力或者界面效应的作用下，可以提高到几十甚至上百开尔文。FeSe在90K左右会发生一个电子向列相变，但是与其他铁基超导体不同的是，它没有伴随着磁性相变。这意味着FeSe中的电子向列相变可能有着不同于其他铁基超导体的起源和机制。

为了揭示FeSe中电子向列相变的本质，一种有效的方法是测量轨道占据数的各向异性，即轨道极化。轨道极化反映了不同轨道上电子分布的不均匀性，它可以作为电子向列相变的一个重要指标。然而，要测量轨道极化并不容易，因为它与晶格畸变有着密切的联系。晶格畸变会引起晶场劈裂，从而影响轨道占据数。因此，要区分轨道极化和晶格畸变的贡献，需要一种能够同时控制和测量晶格应变和轨道占据数的方法。

最近，一篇发表在《自然材料》上的论文提出了这样一种方法，并且成功地测量了FeSe中的自发轨道极化。这篇论文的作者利用X射线线偏振(XLD)技术，在Fe K边缘处测量了FeSe样品在不同应力和温度下的吸收光谱。XLD技术可以敏感地探测不同轨道上电子占据数的各向异性，从而反映出轨道极化的大小和方向。同时，作者还利用X射线衍射(XRD)技术，精确地测量了样品在不同应力下的晶格应变状态。通过结合XLD和XRD技术，作者可以实现对晶格应变和轨道极化的同时调控和检测。

作者发现，在FeSe样品中，在电子向列相变温度Ts以下，存在着一个与晶格应变无关、自发产生的轨道极化，表明轨道极化是电子向列相变的主要序参量。此外，作者还发现，在Ts以上，轨道极化的可极化性随着温度降低而发散，表明轨道极化是电子向列相变的驱动力。这些结果为理解FeSe中电子向列相变的起源和机制提供了有力的证据。
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这篇论文的工作展示了一种新颖的测量轨道极化的方法，也揭示了FeSe中电子向列相变的轨道本质。这对于深入理解铁基超导体中的电子向列相变和超导机制具有重要的意义。