Elektroner bryder rotationssymmetri i eksotisk lavtemperatur superleder

Forskere har opdaget, at transport af elektronisk ladning i en metallisk superleder indeholdende strontium, ruthenium, og ilt bryder rotationssymmetrien i det underliggende krystalgitter. Strontiumruthenatkrystallen har firdoblet rotationssymmetri som en firkant, hvilket betyder, at det ser identisk ud, når det drejes 90 grader (fire gange for at svare til en komplet 360-graders rotation). Imidlertid, den elektriske resistivitet har todelt (180 graders) rotationssymmetri som et rektangel.

Denne 'elektroniske nematicitet' - hvis opdagelse rapporteres i et papir, der blev offentliggjort den 4. maj i Procedurer fra National Academy of Sciences - kan fremme materialets 'utraditionelle' superledning. For ukonventionelle superledere, standardteorier om metallisk ledning er utilstrækkelige til at forklare, hvordan de ved afkøling kan lede elektricitet uden modstand (dvs. mister energi til varme). Hvis forskere kan komme med en passende teori, de kan muligvis designe superledere, der ikke kræver dyr køling for at opnå deres næsten perfekte energieffektivitet.

"Vi forestiller os et metal som en solid ramme af atomer, hvorigennem elektroner flyder som en gas eller væske, "sagde den tilsvarende forfatter Ivan Bozovic, en seniorforsker og leder af Oxide Molecular Beam Epitaxy Group i Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) Division ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og adjungeret professor i Department of Chemistry på Yale. "Gasser og væsker er isotrope, hvilket betyder, at deres egenskaber er ensartede i alle retninger. Det samme gælder elektrongasser eller væsker i almindelige metaller som kobber eller aluminium. Men i det sidste årti, vi har lært, at denne isotropi ikke synes at holde i nogle mere eksotiske metaller. "

Forskere har tidligere observeret symmetri-brydende elektronisk nematicitet i andre ukonventionelle superledere. I 2017, Bozovic og hans team opdagede fænomenet i en metallisk forbindelse indeholdende lanthan, strontium, kobber, og ilt (LSCO), som bliver superledende ved relativt højere (men stadig ultrakølede) temperaturer sammenlignet med lavtemperatur-modstykker som strontiumruthenat. LSCO krystalgitteret har også firkantet symmetri, med to lige periodiciteter, eller arrangementer af atomer, i lodret og vandret retning. Men elektronerne adlyder ikke denne symmetri; den elektriske resistivitet er højere i en retning uden justering med krystalakser.

"Vi ser denne form for adfærd i flydende krystaller, som polariserer lys i fjernsyn og andre skærme, "sagde Bozovic." Flydende krystaller flyder som væsker, men orienterer i en foretrukken retning som faste stoffer, fordi molekylerne har en aflang stanglignende form. Denne form begrænser rotation af molekylerne, når de pakkes tæt sammen. Væsker er typisk symmetriske med hensyn til enhver rotation, men flydende krystaller bryder sådan rotationssymmetri, med deres egenskaber forskellige i parallelle og vinkelrette retninger. Det er det, vi så i LSCO - elektronerne opfører sig som en elektronisk flydende krystal. "

Med denne overraskende opdagelse, forskerne spekulerede på, om der eksisterede elektronisk nematicitet i andre ukonventionelle superledere. For at begynde at behandle dette spørgsmål, de besluttede at fokusere på strontiumruthenat, som har den samme krystalstruktur som LSCO og stærkt interagerende elektroner.

På Kavli Institute ved Cornell for Nanoscale Science, Darrell Schlom, Kyle Shen, og deres samarbejdspartnere voksede enkeltkrystal tynde film af strontiumruthenat ét atomlag ad gangen på firkantede substrater og rektangulære, som forlængede filmene i en retning. Disse film skal være ekstremt ensartede i tykkelse og sammensætning - med en størrelsesorden på en urenhed pr. Billion atomer - for at blive superledende.

For at kontrollere, at filmens krystalperiodicitet var den samme som for de underliggende substrater, forskerne i Brookhaven Lab udførte røntgendiffraktionsforsøg i høj opløsning.

"Røntgendiffraktion giver os mulighed for præcist at måle gitterperiodiciteten af ​​både filmene og substraterne i forskellige retninger, "sagde medforfatter og CMPMS Division X-ray Scattering Group Leader Ian Robinson, hvem der foretog målingerne. "For at afgøre, om gitterforvrængningen spiller en rolle i nematicitet, Vi skulle først vide, om der er forvrængning og hvor meget. "

Bozovics gruppe mønstrede derefter de millimeterstore film til en "solstråle" -konfiguration med 36 linjer arrangeret radialt i trin på 10 grader. De førte elektrisk strøm gennem disse linjer - der hver indeholdt tre par spændingskontakter - og målte spændingerne lodret langs linjerne (længderetning) og vandret hen over dem (tværretning). Disse målinger blev indsamlet over en række temperaturer, genererer tusindvis af datafiler pr. tynd film.

Sammenlignet med længdespændingen, tværspændingen er 100 gange mere følsom over for nematicitet. Hvis strømmen flyder uden foretrukken retning, tværspændingen skal være nul i hver vinkel. Det var ikke tilfældet, hvilket angiver, at strontiumruthenat er elektronisk nematisk - 10 gange mere end LSCO. Endnu mere overraskende var det, at filmene vokset på både firkantede og rektangulære substrater havde den samme størrelse af nematicitet - den relative forskel i resistivitet mellem to retninger - på trods af gitterforvrængning forårsaget af det rektangulære substrat. Strækning af gitteret påvirkede kun nematisk orientering, med retningen for højeste ledningsevne, der løber langs den kortere side af rektanglet. Nematisitet er allerede til stede i begge film ved stuetemperatur og stiger betydeligt, når filmene afkøles til den superledende tilstand.

"Vores observationer peger på en rent elektronisk oprindelse af nematicitet, "sagde Bozovic." Her, interaktioner mellem elektroner, der støder ind i hinanden, ser ud til at have et meget stærkere bidrag til elektrisk resistivitet end elektroner, der interagerer med krystalgitteret, som de gør i konventionelle metaller. "

Fremadrettet, holdet vil fortsat teste deres hypotese om, at elektronisk nematicitet findes i alle ikke -konventionelle superledere.

"Synergien mellem de to CMPMS -divisionsgrupper i Brookhaven var kritisk for denne forskning, "sagde Bozovic." Vi vil anvende vores supplerende ekspertise, teknikker, og udstyr i fremtidige undersøgelser, der leder efter signaturer af elektronisk nematicitet i andre materialer med stærkt interagerende elektroner. "