Sinds de ontdekking twee decennia geleden van de onconventionele topologische supergeleider Sr ₂ RuO ₄ , wetenschappers hebben de eigenschappen ervan uitgebreid onderzocht bij temperaturen onder de kritische temperatuur van 1°K (Tc), waarbij een faseovergang van een metaal naar een supergeleidende toestand plaatsvindt. Nu experimenten gedaan aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in de laboratoria Madhavan en Abbamonte, in samenwerking met onderzoekers van zes instellingen in de VS, Canada, Verenigd Koninkrijk, en Japan, hebben nieuw licht geworpen op de elektronische eigenschappen van dit materiaal bij temperaturen van 4°K boven Tc. De bevindingen van het team kunnen nog onopgeloste vragen over Sr . ophelderen ₂ RuO ₄ 's emergente eigenschappen in de supergeleidende toestand.

Vidya Madhavan, een natuurkundeprofessor en lid van het Frederick Seitz Materials Research Lab aan de U. of I., leidde het experiment. Ze legt uit, "We zijn uitgegaan van de wijdverbreide veronderstelling dat, in Sri ₂ RO ₄ normale metaaltoestand boven zijn Tc, de interacties van elektronen zouden voldoende zwak zijn, zodat het spectrum van excitaties of elektronische toestanden goed zou worden gedefinieerd."

Madhavan gaat verder, "Echter, en dit is een grote verrassing, ons team observeerde grote interactie-effecten in de normale metallische toestand. Elektronen in metalen hebben een goed gedefinieerde impuls en energie. In eenvoudige metalen, bij lage temperaturen bezetten de elektronen alle impulstoestanden in een gebied dat wordt begrensd door een 'Fermi-oppervlak'. Hier ontdekten we dat de snelheid van elektronen in sommige richtingen over het Fermi-oppervlak met ongeveer 50 procent was verminderd, wat niet verwacht wordt. We zagen vergelijkbare interactie-effecten in de tunneldichtheid van de staten. Dit is een aanzienlijke vermindering, en het was een grote verrassing. We dachten dat we de vorm van het Fermi-oppervlak zouden vinden, maar in plaats daarvan, we krijgen deze anomalieën."

Eduardo Fradkin, een professor in de natuurkunde en de directeur van het Institute for Condensed Matter Theory aan de U. of I., opmerkingen, "De elektronische basiseigenschappen van dit materiaal zijn al enige tijd bekend. Wetenschappers bestuderen dit materiaal omdat het een eenvoudig systeem zou moeten zijn om wetenschappelijke effecten te testen. Maar het materiaal is ook een bron van voortdurend debat in het veld:dit is een p-golf supergeleider, met spin-triplet koppeling. Dit heeft gesuggereerd dat de supergeleidende toestand topologisch van aard kan zijn. Begrijpen hoe dit systeem supergeleidend wordt, is een open en intrigerende vraag."

De doorbraak in het begrijpen van de raadselachtige eigenschappen van de supergeleidende toestand van het materiaal kan liggen in deze abnormale normale (niet-supergeleidende) toestand. In een conventionele normale metallische toestand bij lage temperatuur, de elektronische toestanden gedragen zich als goed gedefinieerde quasi-deeltjes, zoals beschreven door de Landau-Fermi vloeistoftheorie. Maar de onderzoekers vonden anomalieën in de deeltjesinteracties bij 5 ° K die Sr . eigenlijk karakteriseren ₂ RuO ₄ als een "sterk gecorreleerd metaal."

In het experiment, Madhavan's team stuurde elektronen in het materiaal met behulp van een elektronische metalen punt, vervolgens de resulterende stroom gemeten met behulp van twee zeer geavanceerde en complementaire technieken, Fourier-transformatie scanning tunneling spectroscopie en momentum opgelost elektronen energieverlies spectroscopie. In vier dataruns, de wetenschappers vonden een significante verandering in de waarschijnlijkheid van het tunnelen van elektronen in de buurt van nul-energie, in vergelijking met Fermi-liquids.

"We waren verrast om zoveel rijke informatie te zien, " vertelt Madhavan. "We begonnen met Eduardo te praten over de theorie en met Peter Abbamonte over zijn experimenten. de groep van Abbamonte, toepassen van de techniek van momentum opgeloste elektronenenergieverliesspectroscopie, vindt ook interacties met collectieve modi op dezelfde energieën."

"De open vraag nu, we hebben iets interessants gevonden bij 4°K boven de supergeleidende faseovergang. Welke betekenis heeft dit voor wat er gebeurt onder de supergeleidende temperatuur?' Madhavan vervolgt. Het team is van plan om vervolgens op die vraag in te gaan:'Als Vidya naar de supergeleidende staat gaat, we zullen meer weten, "Bevestigt Fradkin. "Deze bevindingen zullen haar in staat stellen een unieke benadering te volgen om de supergeleidende ordeparameter van dit materiaal in toekomstige experimenten te onthullen."

Voorafgaande online publicatie van deze resultaten verscheen op 8 mei, 2017, in Natuurfysica .